離子凝膠機械感受器
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-03
離子凝膠機械感受器的實例教程
電極層上的正負電荷吸引離子水凝膠層中相對較少的陽離子和陰離子。在外部壓力下，層間的接觸面積顯著增加。更多的離子被吸引到界面上，從而大大增加了電容。c）由離子水凝膠、導電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設計架構。
圖4，多重傳感陣列的應用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個通道的電容（ΔC/C0）的相對變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計算器觸摸屏。d) 16 個像素的電容分布映射。e) 能夠識別測試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實時多通道電容信號，對應于 a) 輕質螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當網球在仿生手上滾動時，機器人皮膚的多通道電容信號。d) 當電容的相應變化超過閾值時，觸摸的單個手指或多個手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業機器人上的實驗裝置照片。f) 動態響應過程中觸摸皮膚的實時電容信號。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【總結】
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠為可穿戴電子設備和假肢機器人提供壓力感應。
展開 電極層上的正負電荷吸引離子水凝膠層中相對較少的陽離子和陰離子。在外部壓力下，層間的接觸面積顯著增加。更多的離子被吸引到界面上，從而大大增加了電容。c）由離子水凝膠、導電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設計架構。
圖4，多重傳感陣列的應用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個通道的電容（ΔC/C0）的相對變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計算器觸摸屏。d) 16 個像素的電容分布映射。e) 能夠識別測試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實時多通道電容信號，對應于 a) 輕質螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當網球在仿生手上滾動時，機器人皮膚的多通道電容信號。d) 當電容的相應變化超過閾值時，觸摸的單個手指或多個手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業機器人上的實驗裝置照片。f) 動態響應過程中觸摸皮膚的實時電容信號。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【總結】
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠為可穿戴電子設備和假肢機器人提供壓力感應。
展開 圖3
離子凝膠的穩定電性能。
圖4
離子凝膠的機械性能。
圖5
一種具有多模態感覺能力的新型離子皮膚。
【總結】
團隊通過使用高度可拉伸的共聚物網絡
P(MEA-co-IBA) 和疏水性 IL [C2mim][NTf2] 合成了一種在環境和機械上均穩定的新型離子凝膠。由于共聚物基質和離子液體的疏水性，所設計的離子凝膠在濕度變化的潮濕環境中不會吸收水分，并且即使在較長時間施加機械載荷時也幾乎不會發生離子液體泄漏，這主要是由于氫離子和聚合物鏈之間形成的鍵將 IL 鎖定在共聚物基質中。從這個意義上講，一般設計原則可以總結如下：
1）
使用長鏈彈性體網絡和疏水性離子液體賦予離子凝膠良好的機械性能和環境穩定性。
2）
利用彈性體網絡和
離子液體之間的分子相互作用（例如氫鍵）將液體組分鎖定在彈性體基質中，賦予離子凝膠機械穩定性。團隊相信這里揭示的設計原則可以推廣到其他材料系統，用于設計環境穩定和機械穩定的離子凝膠。此外，團隊首次研究了基于
IL 的凝膠的缺陷不敏感性：隨著離子凝膠的平均網孔尺寸隨著 IL 含量的增加而增加，離子凝膠的壓裂內聚長度從 0.51 增加到 1.03 毫米。這些值與彈性體和水凝膠報告的值相當。
通過使用離子凝膠進一步開發了一種新型離子皮膚，它將 TENG 與電容性離子皮膚相結合，因此可以感知各種
刺激——包括拉伸、壓力、和溫度——通過將它們轉換為電阻、電容、
OCV 和 SCC 信號。OCV 和 SCC 信號是自生的，賦予離子皮膚能量收集能力
。這項工作中報道的離子凝膠可能會導致軟離子電子學和性能穩定的可穿戴設備的發展。
展開 【總結】
團隊開發了水凝膠離子二極管，由瓊脂糖中的層狀陽離子和陰離子離聚物組成，
由 PTFE 膜隔開，其表現出類似于 p-n 半導體結的移動離子的熵消耗和整流行為。有限元計算證實了水凝膠離子二極管的潛在機制。
嵌入的 CNT 和 AgNW 電極產生了出色的整流比，因此，出色的機械能收集性能在 0.01 Hz 時超過了當前機械能收集器的幾個數量級。此外，整流水凝膠離子二極管在原型自供電設備中的應用也得到了證明。水凝膠離子二極管的概念，在材料選擇和結構設計方面進一步優化，有望成為一種新的超低頻高效能量收集形式，也可以應用于其他離子能源設備，包括燃料電池和電池。預計水凝膠電離電子學將使新型的基于離子電流的柔性和可穿戴設備成為可能，用于傳感、軟機器人、人機界面和能量收集。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adma.202103056
展開 受人類皮膚功能的啟發，包括通過電信號感應刺激和損傷指示的瘀傷，
最近，
香港中文大學（深圳）
朱世平加拿大工程院院士
/
張祺助理教授
團隊
合成了
一種離子傳導性和機械致變色有機水凝膠，并被證明是離子性皮膚（
I皮膚）。
由機械發色團交聯的膠束組成的凝膠具有機械堅固性，可拉伸性和變形持久性，并具有較小的滯后性，并且還顯示出良好的溶劑保留性。伸長和壓縮過程中相對電阻的變化表明靈敏度較高。
在大變形下觀察到從淺黃色到類似瘀青的藍紫色的光學變化。離子導電有機水凝膠（如I皮膚）通過模仿各種身體挫傷場景的動作附著在人體的不同部位，展示了
對機械刺激的成功感知和可視化。
該作品生動地展示了一種應變傳感器，具有可視化損傷和針對機械沖擊的損傷警告功能。
I形皮膚可以潛在地用于包括假肢設備，可穿戴電子設備和智能機器人的應用中。
相關論文以題為
Colorimetric Ionic Organohydrogels Mimicking Human Skin for Mechanical Stimuli Sensing and Injury Visualization
發表在《
ACS Appl. Mater. Interfaces
》上。
【主圖導讀】
圖
1.模仿皮膚的I皮膚的概念和設計。
（A）當真實皮膚受到機械沖擊時，會同時產生電信號和光信號。（B）通過顯示電學和光學變化感測機械刺激的I皮膚有機水凝膠的示意圖。NaCl，SP和EG分別用作電解質，機械生色團和助溶劑。
圖
2.
（A）溶脹率（質量），以及溶劑置換過程中凝膠的照片。（B）光引發劑，聚合后的水凝膠和溶脹的有機水凝膠的紫外可見光譜。
展開 
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隨著電子設備的日益更新，新一代柔性電子設備越來越得到人們的青睞，例如電子皮膚、離子皮膚等柔性電子器件。但相比之下，具有柔性，透明性和自修復性的供能設備卻鮮有報道。基于摩擦生電和靜電感應耦合的納米摩擦電發電機(TENG)，因其優異的發電性能、結構簡單、重量輕、便攜性等優點已被廣泛用于開發下一代電源器件。盡管，已經有研究者報道利用水凝膠
自然界中，哺乳類動物，魚類，蛙類，昆蟲類以及細菌類等生物經過了幾萬年的演化形成了一套特殊的生理結構，其展現的抗凍，抗干燥，自適應等特征能夠保障他們在復雜多變和極端環境下生存。而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當人體內部物理，溫度和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【摘要】
從人體運動中收集能量被認為是為便攜式電子設備、生物醫學設備和物聯網智能對象供電的一種很有前途的協議。然而，最先進的機械能量收集設備通常以遠遠超出人類活動頻率的頻率 (>10 Hz) 運行。最近，
武漢理工大學
陳文教授
，與
賓夕法尼亞大學張圭貞
（音：
Chang Kyu Jeong
）
/
王青（音：Q
ing Wang
）教授
團隊共同
【科研摘要】
可拉伸的離子導體，
如水凝膠和基于離子液體的凝膠（又名離子凝膠）
，因為它們能夠開發軟離子電子學而引起了極大的關注。值得注意的是，軟電離電子設備不可避免地在潮濕環境或機械負載下運行。然而，許多先前報道的水凝膠和離子凝膠由于親水性在濕度水平不同的環境中不穩定，并且它們的液體成分（即離子液體、水）在機械負載下很容易從聚合物基質中泄漏，導致設備性能下降
人體皮膚是一種“智能”的多功能保護性感覺器官，它可以通過各種感知功能 (如機械感、溫度感、痛覺等) 將環境刺激轉化為電信號，這些電信號可以通過相關的神經通路轉換到大腦。近年來，水凝膠成為模擬人體皮膚的感知功能和保護功能的熱點材料。然而，對環境與水凝膠材料之間的界面相互作用的研究卻很少。為此，東華大學武培怡教授課題組開發了新一代的具有診療功能的水凝膠離子皮膚
【科研摘要】
具有感應能力的人造皮膚在可穿戴設備和軟機器人的應用中具有巨大潛力。受人類皮膚功能的啟發，包括通過電信號感應刺激和損傷指示的瘀傷，
最近，
香港中文大學（深圳）
朱世平加拿大工程院院士
/
張祺助理教授
團隊
合成了
一種離子傳導性和機械致變色有機水凝膠，并被證明是離子性皮膚（
I皮膚）。
由機械發色團交聯的膠束組成的凝膠具有機械堅固性
隨著智能電子產品和新能源汽車的廣泛應用，人們對于能源儲備元件的性能要求越來越高。鋰離子電容器因兼具較高的能量密度和功率密度、優秀的循環壽命使其具備很好的商業應用前景。目前，研究者主要將精力用于設計高性能的電極材料以得到更高能量密度的鋰離子電容器。實際上，隔膜作為鋰離子電容器重要組成部分，不僅用于阻止電極的直接接觸
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