基于纳米银线与PDMS的微结构柔性电子皮肤的设计与应用

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可穿戴的柔性电子皮肤具有方便和实时监测人体信号等的特点,在个性医疗、人工智能和生物医学工程等领域得到了广泛的应用。然而,由于人体的生理信号是微弱的、皮肤表皮是动态波动的。因此,为保证所监测信号的准确性和佩戴的舒适性,制备具有较高的灵敏度、粘附性和较低成本的电子皮肤成为一个迫切的需求。基于具有微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)在应力作用下表现出较高的灵敏度和延展性,以及纳米银线(AgNWs)的高导电性。本文采用PDMS作为柔性基板,AgNWs作为导电材料,设计并制备了一个具有低成本、多功能和对应变的敏感性可随微结构的不同而调节的可穿戴柔性电子皮肤。其主要的研究内容和结论如下:首先,利用二氧化碳激光雕刻机制备了微柱结构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板,然后将未固化的PDMS浇铸在模板上进行反向复制实现了PDMS微柱结构的构建。为了探究不同微柱结构对电子皮肤机械性能和电性能的影响,本文制备了具有不同变量的微柱结构的PMMA模板,这些变量包括微柱结构的底面半径、微柱之间的间距和微柱间所形成的几何排列。其次,采用改性的多元醇法合成了高纵横比的导电材料AgNWs,将AgNWs通过滴铸的方法在具有微柱结构的PDMS的一侧形成导电薄膜。最后,通过在表面具有AgNWs和微结构的一侧封装一层薄PDMS以形成一个双层结构的电子皮肤。此外,由于导电材料的用量以及不同的微结构会影响所形成的电子皮肤的机械性能、电性能和光透过率。因此,本文在将电子皮肤应用于实际中前,优化了导电材料在柔性基板上的用量以及计算了具有不同变量微柱结构的电子皮肤灵敏度。通过检测在不同拉伸下电子皮肤展示出的不同电阻变化和不同导电材料用量在PDMS柔性基板上形成导电膜的表面形态和导电性能,找到了实现电子皮肤性能最优的变量。最终,采用优化后的AgNWs的涂覆量和最佳的PDMS微柱结构的变量制备了可检测人体运动、温度变化和不同应变的空间分布的多功能电子皮肤,展示其在个性化医疗方面具有潜在的应用前景。
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