摘要

隨著人機交互越來越重要，可拉伸性、生物相容性和自愈行為將在下一代觸控面板中發(fā)揮更重要的作用，以實現(xiàn)與人體的融合。然而，由于大多數(shù)觸控面板的電極是由缺乏自愈能力的硬脆材料構(gòu)成，因此仍然存在深刻的挑戰(zhàn)。在此， 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 楊帆副研究員 、 王榮國教授 團隊 展示了一種采用 電容式觸摸傳感系統(tǒng)的半導(dǎo)體觸摸面板，該系統(tǒng)基于聚（ N,N'-二甲基丙烯酰胺）-二氧化鈦納米復(fù)合水凝膠作為透明導(dǎo)體 。

該面板表現(xiàn)出高拉伸性、柔軟性、低寄生電容、高分辨率、快速響應(yīng)和損壞時的即時功能恢復(fù)。該面板被拉伸到超過 1100% 的面積應(yīng)變 ，并且仍然可以作為輸入設(shè)備運行而不會犧牲其功能。此 外，面板邊緣附近的畸變，由于電有限元方法模擬證明的電阻非線性，在通過 3D打印優(yōu)化四端子圖案后變得更弱。 表皮觸控面板貼在人體皮膚上，能寫字、下棋、玩游戲，表現(xiàn)出強大的性能和自愈能力 。 相關(guān)論文以題為 Skin-inspired self-healing semiconductive touch panel based on novel transparent stretchable hydrogels 發(fā)表在《 J ournal of Materials Chemistry A 》上。

主圖

復(fù)合水凝膠的形成和表征

圖 1 制備過程的示意圖，包括簡單的兩步過程：DMAA 預(yù)聚物的生成和混合物的制備。

圖 2 納米復(fù)合水凝膠的表征。 (a) 具有不同 TiO2 負(fù)載量的納米復(fù)合水凝膠的 SEM 微觀結(jié)構(gòu)：(1) 0 wt%、(2) 35 wt%、(3) 70 wt% 和 (4) 110 wt%。(b) 在 25°C 下對不同 TiO2 負(fù)載量的水凝膠進行動態(tài)振蕩頻率掃描。(c) 在可見光照射下水凝膠的光電流響應(yīng)。（d 和 e）當(dāng)水凝膠薄膜附著在假肢手指、手臂和腿上時，它會動態(tài)適應(yīng)高度非線性的表面，并分別適應(yīng)手指、手臂和腿的運動。

復(fù)合水凝膠的自修復(fù)性能

圖 3 含有 70 wt% TiO ₂ 的納米復(fù)合水凝膠的流變恢復(fù)、宏觀、機械和電愈合特性。

半導(dǎo)體觸控條的工作原理

圖 4 半導(dǎo)體觸控面板的一維傳感原理。

二維半導(dǎo)體觸控面板中的位置感測

圖 5 2 D半導(dǎo)體觸控面板的工作原理。

拉伸狀態(tài)下的半導(dǎo)體觸控面板演示

圖 6 可拉伸半導(dǎo)體觸控面板。 (a 和 b) 半導(dǎo)體觸控面板的面積被等雙軸拉伸超過 1100%。(c) 在拉伸狀態(tài)下的半導(dǎo)體觸控面板仍然可以操作，而不會犧牲其功能。(d) 不同拉伸狀態(tài)的電流由 A1 電流表測量。(e) 研究了拉伸面板上四個手指位置的 A1 電流。

表皮觸控面板的設(shè)計

圖 7 柔性、可穿戴、透明、自愈的表皮觸控面板。 (a) 通過利用 VHB 基板作為介電材料來設(shè)計表皮觸控面板，以便將面板安裝在曲面上并使面板與身體絕緣。(b) 面板附在手臂上。(c) 連接前后的電流是通過 A1 電流表測量的。(d) 測量四個測試位置的 A1 電流，以評估貼在人體皮膚上后的位置靈敏度。(e-g) 進行了許多應(yīng)用程序，例如寫字 (e)、下棋 (f) 和玩憤怒的小鳥 (g)，以證明表皮觸控面板能夠識別各種動作，包括滑動、拖動、按住 , 并點擊。

總結(jié)

該團隊展示了一種基于新型自修復(fù)納米復(fù)合水凝膠的半導(dǎo)體觸控面板，它具有高拉伸性、柔軟性、高分辨率、自修復(fù)能力、低寄生電容、快速響應(yīng)時間和損壞后快速功能恢復(fù)。 水凝膠網(wǎng)絡(luò)由二氧化鈦納米粒子交聯(lián)的 PDMAA 鏈組成，并表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈性能，如其流變恢復(fù)、宏觀、機械和電學(xué)表征所證明的那樣，無需任何外部刺激 。制造好的 1D 觸控條和 2D 觸控面板在原始狀態(tài)和高度拉伸狀態(tài)下都能顯示快速而精確的觸控感應(yīng)。此外，由電氣有限元方法證明的電阻非線性引起的面板邊緣變形在通過3D打印使用四端子圖案優(yōu)化后顯示較弱。以半導(dǎo)體觸摸 屏為基礎(chǔ)構(gòu)建了高性能、柔性、可穿戴、自愈的表皮觸摸屏，可成功地任意貼合在彎曲的人體皮膚上，用于書寫文字、下棋和游戲，甚至在切割然后愈合的狀態(tài)。

參考文獻 ：

doi.org/10.1039/D1TA01892B

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