CN114190923A - 一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤及其制备方法，基于摩擦电发电机构建了具有多层纳米纤维的生物启发型多功能电子皮肤，可转换人体机械能为电能，用以同时检测压力、温度和湿度等外界刺激。该电子皮肤的负摩擦层为静电纺丝技术的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯复合纳米纤维，具有典型的三维网络空间结构和微观珠链结构，而正电极层为静电纺丝技术的胶原聚集体纳米纤维，其结构为三维多孔结构和微观凸起结构。该电子皮肤同时实现了优异的压力、湿度和温度响应性，集智能、多功能、柔韧性、敏感性、透气性、生物相容性等优点于一体，可作为智能机器人、皮肤、医疗健康检测等领域的智能电子皮肤。

Description

一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子皮肤制造技术领域，具体涉及到一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤及其制备方法。
背景技术
皮肤作为人体最针对上述问题，可通过纳米摩擦发电机发电实现自供电功能，多层级结构提供多功能性，利用结构提供灵敏的压力、湿度和温度响应性，从而开发一种兼备自供电能力与多功能及对多种刺激灵敏响应的电子皮肤。此外，为了使电子皮肤贴于皮肤表面时具有良好的生理体验和穿戴舒适性，可利用胶原等易降解的生物材料提供良好的生物相容性，同时采用静电纺丝技术制备纳米纤维，全纤维结构实现其良好的透气性，基于以上特性可使得电子皮肤在医疗及可穿戴设备等领域有更加广泛的应用。
大的器官，不仅可以保护人体免受环境危害，且能及时感知外界环境的温度、压力和振动。在物联网时代，电子皮肤在功能和敏感度上可以超越人体感官，这使其成为一种基础的数据采集设备，在人工假肢、智能机器人、可穿戴设备、健康监测系统等领域有着广泛的应用。对于电子皮肤材料的实际应用，需要评估灵敏度、自供电能力、生物相容性、透气性、灵活性、轻盈性和成本效益。然而，到目前为止，少有综合这些特征的电子皮肤被报道。
电子皮肤是复杂的柔性传感器阵列，通过将各种环境刺激（包括温度、湿度和压力）转化为实时和可视化的电子脉冲来实现信息收集。最近，电子皮肤被赋予了多样化的特殊功能，如电致发光、自愈、形状记忆效应、防火、防水、传热等。尽管上述多种功能的不断改进和优化，但能够真正模仿人类皮肤及其多种功能以实现最佳集成的电子皮肤是非常罕见的。目前大多数电子皮肤只能检测到一种外部刺激，还有一些电子皮肤能够检测到多个刺激，但灵敏度不足，表现为检测范围小、反应慢、恢复时间长，这极大限制了它们的实际应用。例如在指尖等人工假肢的特定位置上，为了检测人体皮肤的多种刺激反应，必须有多种不同功能的传感器协同工作。然而，不同功能传感器在平面上的排布会造成不同微小区域的信号缺失，这在高精度应用中显然是致命的，另外，更多传感器的安装也会导致更高的制造成本。
在以前的研究中，通过设计和修改材料的结构，如通过模仿金字塔或天然皮肤设计材料表面凹凸结构，使正负极材料在相同的压力下获得更大的接触面积，从而提高了灵敏度。然而，这种方法往往需要蚀刻或模具倒置，导致复杂的生产过程和昂贵的制造。此外，由于电池电解质造成的污染往往会对健康造成危害，且电池更换、充电和回收会带来诸多不便影响，因此多功能电子皮肤不能完全使用传统电池驱动。尽管有报道称一些自供电的电子皮肤可紧密地附着在皮肤上以有效地收集生物机械能，但它们大多是用密封或轻微有毒的聚合物膜生产的，如氟橡胶、聚二甲基硅氧烷或其他致密的半导体膜(如GaAs、TiO2、ZnO)。这些材料可能会引起皮肤不适，尤其是长期接触人体皮肤后，甚至引起瘙痒和炎症。因此，以高透气性和生物相容性的材料为底物构建电子皮肤是值得探索的课题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤及其制备方法，以一种简单的方式制备了一种可生物降解的多功能双结构自供电电子皮肤。该电子皮肤制备三维网络空间结构和珠链结构提高自发电压力敏感层中的正负摩擦层的有效接触面积，可以灵敏检测压力的同时更有效收集机械能。通过摩擦电采集管理系统可有效转化收集到的生物机械能为电能，用以温度和湿度等生理信号。另外，湿度敏感层精妙的三维多孔结构和微观凸起结构和胶原对水分的吸-脱附性能确保了对湿度的灵敏度和极低短滞后。此外，胶原聚集体独特的生物特性，提供了良好的生物相容性、生物降解性，而静电纺丝制备的多层纳米纤维结构实现电子皮肤的高透气性。这些非凡的功能表明，借助多分析统计分析方法，实现对人体复杂运动、操控动作的识别与检测，该多功能柔性传感器可以更广泛地用于智能机器人，健康监测和人体运动监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，包括压力敏感层、温度敏感层、湿度敏感层、电极层、自发电压力敏感层中的正摩擦层、胶原聚集体海绵及自发电压力敏感层中的负摩擦层：
基于纳米摩擦发电机的压力敏感层，综合收集人体机械能和人体压力的检测功能；当所述压力敏感层受到压力刺激时，自发电压力敏感层中的正负摩擦层由于接触-分离效应产生电势差，对外表现为交流电信号；
温度敏感层由静电纺丝的胶原聚集体纳米纤维作为基材，并经功能改性使该胶原聚集体纳米纤维兼具导电性、温敏性和高热交换效率；当温度发生变化时，所述温度敏感层的电学性能或电位发生变化，产生电信号；
湿度敏感层由静电纺丝的胶原聚集体纳米纤维作为基材，并经功能改性使该胶原聚集体纳米纤维兼具导电性、吸湿性和高湿度敏感性；当湿度发生变化时，所述湿度敏感层吸湿导致湿度敏感层的电学性能或电位发生变化，产生电信号；
电极层，设置在所述温度敏感层与所述湿度敏感层间，分别连接所述温度敏感层和所述湿度敏感层，另接电源为储存经过电源管理系统LTC3588-1处理后压力敏感层所产生电流的超级电容器。
进一步，所述的压力敏感层由静电纺丝制备的三维网络空间结构和微观珠链结构协同作用聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维负摩擦层、胶原聚集体纳米纤维正摩擦层和胶原聚集体弹性海绵组装得到。
进一步，所述中的胶原聚集体可制备于猪皮、牛皮、羊皮、鱼皮中的任意一种。
进一步，所述的压力敏感层在检测压力的同时具备收集所施加外力的机械能，并利用电源管理系统LTC3588-1转换为电能并储存。
进一步，所述的温度敏感层是胶原聚集体经过聚聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐和多壁碳纳米管复合导电材料掺杂功能改性后，经过静电纺丝制成高温度交换效率的多孔纳米纤维薄膜。
进一步，所述的湿度敏感层是以胶原聚集体为基体，通过在基体中分散酸化碳纳米管导电基质以得到导电性，并由丙三醇改性增强其吸湿性得到的。
进一步，所述的湿度敏感层制备方式为材料经过静电纺丝制备具有高水分吸-脱附性的三维多孔结构和微观凸起结构纳米纤维薄膜。
一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤的制备方法，包括以下步骤：
制备均匀混合的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯溶液，通过静电纺丝制备三维网络空间结构和微观珠链的高比表面积和空气通过率的负摩擦层；
胶原聚集体溶液，通过静电纺丝制备高比表面积和空气通过率的正摩擦层；
胶原聚集体溶液，通过冷冻干燥制备胶原聚集体弹性海绵，组装压力敏感层；
向胶原聚集体溶液加入聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐和多壁碳纳米管，混合均匀后静电纺丝，得到温度敏感层；
在温度敏感层表面喷射导电石墨得到螺旋电极；
向胶原聚集体溶液加入酸化碳纳米管导电基质材料以及丙三醇，混合均匀后静电纺丝，得到结构湿度敏感层；
进一步，聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维负摩擦层中聚乙烯醇与聚偏二氟乙烯的质量比为(0～20) : (0～20)；温度敏感层中，聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐、多壁碳纳米管和胶原聚集体的质量比为(0～1) : (0～1) : (1～15) ；湿度敏感层中，酸化碳纳米管和胶原聚集体的质量比为(0～1) : (1～15)；
进一步，包括如下步骤：
（1）聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯负摩擦层的制备：将聚乙烯醇在80～100 °C去离子水中溶解，搅拌1～3 h，浓度为0～18 wt%；再加入0～20 wt%聚偏二氟乙烯粉末，搅拌10～30h，制得0～18 wt%聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的均匀分散液；将铜网固定在距离针头10～20cm的收集器上，由聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维均匀覆盖；静电纺丝机在工作过程中保持在一定纺丝条件下，进料速率为0.1～5 mL∙h–1；最后，将样品置于30～70°C的烘箱中干燥1～6 h，以除去残留溶剂；
（2）胶原聚集体正摩擦层的制备和自发电压力敏感层的组装：5～20 wt%的胶原聚集体溶解在六氟异丙醇中，在30～50°C下搅拌10～40 min；静电纺丝在一定环境条件下以0.1～5 mL∙ h–1的进料速率进行，施加电压为5～40 kV，将铜网固定在距离针头5～40 cm的收集器上，将样品置于30～90°C的烘箱中干燥1～20 h，以除去残留溶剂；将20～40 wt%的胶原聚集体水溶液在冷冻干燥机中干燥2～48 h，直到形成海绵，并切割成厚度为0.05～0.2 mm的环；根据组装胶原聚集体、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯和胶原聚集体海绵，得到自发电压力敏感层；
（3）温度敏感层的制备：在0.1～5 wt%的聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐水分散液中加入0.1～5 wt%的多壁碳纳米管，超声分散混合0.1～5 h，加入5～20 wt%胶原聚集体，在30～80 °C下搅拌2～20 h，最后在30～80 °C下干燥，备用；将胶原聚集体改性物在30～80 °C条件下搅拌1～10 h溶于六氟异丙醇中，加入0～5 wt%的甲基硅酸钠防水剂，继续搅拌2～30 h，得到均匀混合的纺丝溶液；将组装好的自供电压力敏感层放置在收集器上，将制备好的胶原聚集体纺丝溶液放置在塑料注射器中，针头放置在离收集器5～40 cm位置；电压维持在5～40 kV范围内，进料速率控制在0.1～5 mL∙h–1范围内；将得到的样品在30～80 °C下干燥1～10 h，除去剩余溶剂，然后放置在平台上，用喷枪将石墨喷涂在上面，形成交叉电极，从而提供样品(a)；
（4）湿度敏感层的制备：将0.1～5 wt%的酸化碳纳米管超声0.1～5 h分散在去离子水中，加入5～20 wt%胶原聚集体在30～80 °C下搅拌0.5～30 h，在真空烘箱中干燥1～15 h，得到均匀混合物；5～20 wt%的胶原聚集体/酸化碳纳米管混合物在30～50 °C条件下搅拌1～10 h溶解在六氟异丙醇中，加入0～10 wt%丙三醇高速搅拌1～48 h，然后放入纺丝机注射器中；样品(a)附着在收集器上，离针5～40 cm，电压控制在5～40 kV范围内，保持一定的环境条件：温度30～70°C，湿度10～80 % RH)；得到的样品在30～70 °C的烘箱中干燥1～10 h，以去除残留溶剂；
（5）电子皮肤组装：将自发电压力敏感层的正负极连接到电源管理系统LTC3588-1的输入端口，以收集运动产生的能量；能量管理电路的输出端与电子皮肤的交叉电极通过管道连接，作为湿度和温度检测的能源；制备的电子皮肤紧密地附着在人体皮肤上，灵敏地获取压力、温度和湿度信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明以制备的纳米摩擦发电机收集人体产生机械能，并转换为电能进行储存，作为传感器中其他传感元件的能源，代替了传统的锂电池。
（2）本发明制备的电子皮肤的结构使之具有较高的压力、湿度和温度敏感性和检测范围及良好的响应性及循环使用性能。
（3）本发明制备的全纳米纤维电子皮肤具有较高的空气渗透率，从而保证了穿戴和贴附的舒适性。
（4）该电子皮肤同时实现了优异的压力、湿度和温度响应性，集智能、多功能、柔韧性、敏感性、透气性、生物相容性、生物可降解性等优点于一体，可作为智能机器人、皮肤、医疗健康检测等领域的智能电子皮肤。
附图说明
图1为本发明的自供电多功能传感器的截面结构示意图。
图中，1-湿度敏感层、2-螺旋电极、3-温度敏感层、4-自发电压力敏感层中的正摩擦层、5-胶原聚集体海绵、6-自发电压力敏感层中的负摩擦层。
图2为本发明的自供电多功能传感器截面和不同功能层的平面微观结构扫描电镜。
图3为本发明的自供电多功能传感器中自发电压力敏感层的发电和传感机理。
图4为本发明的自供电多功能传感器自发电压力敏感层中的珠链结构对受力时正负摩擦层的有效接触面积增长机理。
图5为本发明的自供电多功能传感器自发电压力敏感层在施加不同外力时的信号输出。
图6为本发明的自供电多功能传感器自发电压力敏感层在不同外接电阻时的有效功率和电压。
图7为本发明的自供电多功能传感器能量管理系统LTC3588-1示意图。
图8为本发明的自供电多功能传感器中温度敏感层在不同温度下的输出信号，内部为其温度敏感层对温度的灵敏度。
图9为本发明的自供电多功能传感器中湿度敏感层在不同湿度下的输出信号，内部为其湿敏感层对湿度的灵敏度。
图1中，1-湿度敏感层、2-螺旋电极、3-温度敏感层、4-铜网、5-自发电压力敏感层中的正摩擦层、6-胶原聚集体海绵、7-自发电压力敏感层中的负摩擦层。
具体实施方式
下面通过实施对本发明进行具体描述。
参照图1、5、8～9本专利公开了一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤的制备方法，与目前常规传感器材料不同，其特点是基于摩擦电发电机构建了具有多层纳米纤维的生物启发型多功能电子皮肤，可转换人体机械能为电能，用以同时检测压力、温度和湿度等外界刺激。以静电纺丝技术制备的负摩擦层中聚乙烯醇和聚偏二氟乙烯纳米纤维具备宏观三维网络空间结构和微观珠链结构、正电极层胶原聚集体纳米纤维的多孔结构、上层湿度敏感器层的触须结构，电子皮肤同时实现了优异的压力、湿度和温度响应性。该电子皮肤集智能、多功能、柔韧性、敏感性、透气性、生物相容性等优点于一体，为智能机器人、皮肤、医疗健康检测等领域的智能电子皮肤铺平了道路。
参照图1，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器包括三大功能层，即自发电压力敏感层4～7、温度敏感层3、湿度敏感层1。其中，所述自发电压力敏感层中包括：作为正摩擦层的胶原聚集体纳米纤维5、负摩擦层具备三维网络空间结构和内部珠链结构的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维7、作为电极层的导电铜网4、弹性胶原聚集体海绵6。
参照图2，所述多功能电子皮肤横截面的扫描电镜图可以清楚观察到期多片层的结构。另外，图2B为作为正摩擦层的胶原聚集体纳米纤维、图2C展示了负摩擦层中具备三维网络空间结构和内部珠链结构的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维7、图2D为温度敏感层的胶原聚集体/聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐/多壁碳纳米管纳米纤维、图2E为仿三维多孔结构和微观凸起的胶原聚集体/酸化碳纳米管纳米纤维构成的湿度敏感层。从图2中的扫描电镜图协同图A和图10展示了电子皮肤的精巧结构特性。
参照图3，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器中的自发电压力敏感层是基于纳米摩擦发电机中的接触-分离模型，在正负摩擦层受到外力后的接触分离过程中，产生的电势对外显示为交流电压，经过计算可以得到实时施加的外力大小，并且，在经过电源管理系统处理后能够储存在电容器或者电池中，为其他功能层提供能源。
参照图4，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器中的自发电压力敏感层中的正负摩擦层通过调节静电纺丝的工艺，得到结构为珠链结构纳米纤维和多孔结构纳米纤维，相对于普通的光滑膜具有更大的相对接触面积，可以极大提高自发电压力敏感层对外力的灵敏度和有效输出功率。
参照图5～6，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器中的自发电压力敏感层在不同面积（1×1 cm2、2×2 cm2、3×3 cm2、4×4 cm2、5×5 cm2）在135 kPa外力下的电压输出，其中自发电压力敏感层为5×5 cm2时的输出电压为235 V，1×1 cm2时的输出电压为25 V。以1×1 cm2为电子皮肤的标准大小，当外加电阻为55 MΩ时有效输出功率为75 mW ∙ m–2。
参照图7，10，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器所使用的电源管理系统为LTC3588-1，是用于收集（压力敏感）层受外力刺激时产生的电流，用于温度敏感和湿度敏感层。
参照图8～9，本发明所述的基于皮胶原聚集体的多功能柔性传感器中的温度敏感层在27～55°C范围内具有良好的线性关系（R2=0.99）和温度敏感性（TCR=0.0075°C–1）；湿度敏感层在25～55%RH范围内具备良好的线性关系和灵敏度。
本实施例所述的摩擦（压力敏感）层可采用基于皮胶原的正摩擦层和聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的负摩擦层制备。这种材料可由以下方法制备：胶原聚集体溶入六氟异丙醇中静电纺丝得到正摩擦层、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯混合水溶液进行静电纺丝制备负摩擦层、胶原聚集体冻干海绵为分隔层、导电铜网电极层，对其进行层层组装。
所得材料的特点是：以具有三维网状结构的天然皮胶原作为基体静电纺丝制备正摩擦层，其中胶原聚集体中氨基酸残基为其提供正极性。所述负摩擦层，采用聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯材料静电纺丝制成。其中通过控制纺丝条件，制备具有三维网络空间结构和内部珠链结构的全纤维薄膜，聚乙烯醇和偏二氟乙烯的复合材料提供了极强的负极性。冻干胶原海绵优异的弹性，在自发电压力敏感层被施加外力移除后使正负摩擦层快速分离。导电铜网具备良好导电性用以电流传导，并对电子皮肤透气性无影响。
本实施例所述的温度敏感层，要求材料对温度的敏感性，和材料本身的热交换速率。因此本例所述的温度敏感材料可由以下方法制备：向胶原蛋白溶液逐滴加入聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐/酸化碳纳米管复合导电基质材料的分散液以及防水剂甲基硅酸钠，充分搅拌后室温干燥后，溶解于六氟异丙醇并进行静电纺丝。
所得材料的特点是：以天然皮胶原作为基体，以分散在基体中的温敏材料聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐/碳纳米管复合导电基质改善该材料的导电性，使之具备温度敏感性。全纤维结构能提供足够的热交换通道，提高热交换效率从而降低响应和迟滞时间。
本实施例所述的湿度敏感层，要求材料对湿度的敏感性，和材料本身的水分吸-脱附特性。因此本例所述的湿度敏感材料可由以下方法制备：向胶原蛋白溶液逐滴加入酸化碳纳米管复合导电基质材料的分散液以及亲水剂丙三醇，充分搅拌后室温干燥后，溶解于六氟异丙醇并进行静电纺丝。
所得材料的特点是：以具备吸-脱附天然皮胶原作为基体，以分散在基体中的湿敏酸化碳纳米管导电基质改善该材料的导电性，使之具备湿度敏感性。全纤维结构和三维多孔结构和微观凸起机构能提供足够的水分交换通道，提高湿度敏感性并降低响应和迟滞时间。
所述电极层2，设置在所述温度敏感层与所述湿度敏感层间，同时分别连接所述温度敏感层和所述湿度敏感层，其外接电源为经过电源管理系统收集储存的自发电压力敏感层的在收到外力刺激时的输出电压。所述电极层2所选用的电极优选螺旋电极。
实施例一
（1）聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯负摩擦层的制备：将聚乙烯醇在80°C去离子水中溶解，搅拌3 h，浓度为18 wt%。再加入1 wt%的聚偏二氟乙烯粉末，搅拌10 h，制得浓度为19wt%聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的均匀分散液。将铜网固定在距离针头10 cm的收集器上，由聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维均匀覆盖。静电纺丝机在工作过程中保持在一定纺丝条件下，进料速率为1 mL∙h–1。最后，将样品置于30°C的烘箱中干燥6 h，以除去残留溶剂。
（2）胶原聚集体正摩擦层的制备和自发电压力敏感层的组装：5 wt%胶原聚集体溶解在六氟异丙醇中，在30°C下搅拌40 min。静电纺丝在一定环境条件下以1 mL∙ h–1的进料速率进行，施加电压为10 kV，将铜网固定在距离针头10 cm的收集器上，将样品置于30°C的烘箱中干燥6 h，以除去残留溶剂。将20 wt %胶原聚集体水溶液在冷冻干燥机中干燥12 h，直到形成海绵，并切割成厚度为0.05 mm的环。根据组装胶原聚集体、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯和胶原聚集体海绵，得到自发电压力敏感层。
（3）温度敏感层的制备：0.1 wt%的聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐水分散液中加入0.1 wt%多壁碳纳米管，超声分散混合1 h，加入5 wt%的胶原聚集体，在30 °C下搅拌20 h，最后在30 °C下干燥，备用。将胶原聚集体改性物在30 °C条件下搅拌60 min溶于六氟异丙醇中，加入0.1 wt%的甲基硅酸钠防水剂，继续搅拌2 h，得到均匀混合的纺丝溶液。将组装好的自供电压力敏感层放置在收集器上，将制备好的胶原聚集体纺丝溶液放置在塑料注射器中，针头放置在离收集器10 cm位置。电压维持在10 kV，进料速率为1mL∙h–1。将得到的样品在30 °C下干燥6 h，除去剩余溶剂，然后放置在平台上，用喷枪将石墨喷涂在上面，形成交叉电极，从而提供样品(a)。
（4）湿度敏感层的制备：将0.1 wt%酸化碳纳米管超声分散在去离子水中0.5 h，然后加入5 wt%胶原聚集体在30 °C下搅拌30 h，在真空烘箱中干燥5 h，得到均匀混合物。5wt%的胶原聚集体/酸化碳纳米管混合物在30 °C条件下搅拌40 min溶解在六氟异丙醇中，加入0.5 wt%高速搅拌12 h，然后放入纺丝机注射器中。样品(a)附着在收集器上，离针10cm，电压控制为8 kV，保持一定的环境条件为温度30°C，湿度10 %RH。得到的样品在30 °C的烘箱中干燥6 h，以去除残留溶剂。
（5）电子皮肤组装：将自发电压力敏感层的正负极连接到电源管理系统LTC3588-1的输入端口，以收集运动产生的能量。能量管理电路的输出端与电子皮肤的交叉电极通过管道连接，作为湿度和温度检测的能源。制备的电子皮肤紧密地附着在人体皮肤上，灵敏地获取压力、温度和湿度信息。
实施例二
（1）聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯负摩擦层的制备：将聚乙烯醇在90 °C去离子水中溶解，搅拌5 h，浓度为9 wt%。再加入9 wt%聚偏二氟乙烯，搅拌20 h，制得18 wt%的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的均匀分散液。将铜网固定在距离针头15 cm的收集器上，由聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维均匀覆盖。静电纺丝机在工作过程中保持在一定纺丝条件下，进料速率为1.5 mL∙h–1。最后，将样品置于50°C的烘箱中干燥3 h，以除去残留溶剂。
（2）胶原聚集体正摩擦层的制备和自发电压力敏感层的组装：10 wt%胶原聚集体溶解在六氟异丙醇中，在40°C下搅拌30 min。静电纺丝在一定环境条件下以2 mL∙ h–1的进料速率进行，施加电压为15 kV，将铜网固定在距离针头15 cm的收集器上，将样品置于50°C的烘箱中干燥3 h，以除去残留溶剂。将30 wt %胶原聚集体水溶液在冷冻干燥机中干燥36h，直到形成海绵，并切割成厚度为0.1 mm的环。根据组装胶原聚集体、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯和胶原聚集体海绵，得到自发电压力敏感层。
（3）温度敏感层的制备：聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐(2 wt%)水分散液中加入0.25 wt%多壁碳纳米管，超声分散混合2 h，加入10 wt%的胶原聚集体，在40 °C下搅拌10 h，最后在50 °C下干燥，备用。将胶原聚集体改性物在40 °C条件下搅拌40 min溶于六氟异丙醇中，加入2 wt%的甲基硅酸钠防水剂，继续搅拌15 h，得到均匀混合的纺丝溶液。将组装好的自供电压力敏感层放置在收集器上，将制备好的胶原聚集体纺丝溶液放置在塑料注射器中，针头放置在离收集器15 cm位置。电压维持在15 kV范围内，进料速率控制在2 mL∙h–1范围内。将得到的样品在50 °C下干燥4 h，除去剩余溶剂，然后放置在平台上，用喷枪将石墨喷涂在上面，形成交叉电极，从而提供样品(a)。
（4）湿度敏感层的制备：将1 wt%的酸化碳纳米管超声分散在去离子水中1 h，然后加入9 wt%胶原聚集体在40 °C下搅拌20 h，在真空烘箱中干燥10 h，得到均匀混合物。10wt%的胶原聚集体/酸化碳纳米管混合物在40 °C条件下搅拌30 min溶解在六氟异丙醇中，加入4 wt%丙三醇高速搅拌35 h，然后放入纺丝机注射器中。样品(a)附着在收集器上，离针15 cm，电压控制在15 kV范围内，保持一定的环境条件为：温度40°C，湿度50 % RH)。得到的样品在50 °C的烘箱中干燥3 h，以去除残留溶剂。
（5）电子皮肤组装：将自发电压力敏感层的正负极连接到电源管理系统LTC3588-1的输入端口，以收集运动产生的能量。能量管理电路的输出端与电子皮肤的交叉电极通过管道连接，作为湿度和温度检测的能源。制备的电子皮肤紧密地附着在人体皮肤上，灵敏地获取压力、温度和湿度信息。
实施例三
（1）聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯负摩擦层的制备：将聚乙烯醇在100 °C去离子水中溶解，搅拌1 h，浓度为1 wt%。再加入17 wt%聚偏二氟乙烯粉末，搅拌10～30 h，制得18 wt%聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的均匀分散液。将铜网固定在距离针头20 cm的收集器上，由聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维均匀覆盖。静电纺丝机在工作过程中保持在一定纺丝条件下，进料速率为2 mL∙h–1。最后，将样品置于70°C的烘箱中干燥1 h，以除去残留溶剂。
（2）胶原聚集体正摩擦层的制备和自发电压力敏感层的组装：18 wt%的胶原聚集体溶解在六氟异丙醇中，在50°C下搅拌10 min。静电纺丝在一定环境条件下以3 mL∙ h–1的进料速率进行，施加电压为30 kV，将铜网固定在距离针头30 cm的收集器上，将样品置于70°C的烘箱中干燥1 h，以除去残留溶剂。将胶原40 wt %聚集体水溶液在冷冻干燥机中干燥48 h，直到形成海绵，并切割成厚度为0.2 mm的环。根据组装胶原聚集体、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯和胶原聚集体海绵，得到自发电压力敏感层。
（3）温度敏感层的制备：5 wt%聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐水分散液中加入0.5 wt%多壁碳纳米管，超声分散混合3 h，加入18 wt%胶原聚集体，在50 °C下搅拌2h，最后在70 °C下干燥，备用。将胶原聚集体改性物在50 °C条件下搅拌10 min溶于六氟异丙醇中，加入5 wt%的甲基硅酸钠防水剂，继续搅拌30 h，得到均匀混合的纺丝溶液。将组装好的自供电压力敏感层放置在收集器上，将制备好的胶原聚集体纺丝溶液放置在塑料注射器中，针头放置在离收集器30 cm位置。电压维持在30 kV，进料速率控制为3 mL∙h–1。将得到的样品在70 °C下干燥1h，除去剩余溶剂，然后放置在平台上，用喷枪将石墨喷涂在上面，形成交叉电极，从而提供样品(a)。
（4）湿度敏感层的制备：将2 wt%酸化碳纳米管超声分散在去离子水中2 h，然后加入18 wt%胶原聚集体在60 °C下搅拌0.5 h，在真空烘箱中干燥15 h，得到均匀混合物。胶原聚集体/酸化碳纳米管混合物在50 °C条件下搅拌10 min溶解在六氟异丙醇中制备20 wt%溶解液，加入10 wt%丙三醇高速搅拌48 h，然后放入纺丝机注射器中。样品(a)附着在收集器上，离针20 cm，电压控制在25 kV范围内，保持一定的环境条件为：温度50°C，湿度60 %RH)。得到的样品在70 °C的烘箱中干燥1 h，以去除残留溶剂。
（5）电子皮肤组装：将自发电压力敏感层的正负极连接到电源管理系统LTC3588-1的输入端口，以收集运动产生的能量。能量管理电路的输出端与电子皮肤的交叉电极通过管道连接，作为湿度和温度检测的能源。制备的电子皮肤紧密地附着在人体皮肤上，灵敏地获取压力、温度和湿度信息。

Claims (10)

1.一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，包括压力敏感层、温度敏感层、湿度敏感层、电极层、自发电压力敏感层中的正摩擦层、胶原聚集体海绵及自发电压力敏感层中的负摩擦层：
基于纳米摩擦发电机的压力敏感层，综合收集人体机械能和人体压力的检测功能；当所述压力敏感层受到压力刺激时，自发电压力敏感层中的正负摩擦层由于接触-分离效应产生电势差，对外表现为交流电信号；
温度敏感层由静电纺丝的胶原聚集体纳米纤维作为基材，并经功能改性使该胶原聚集体纳米纤维兼具导电性、温敏性和高热交换效率；当温度发生变化时，所述温度敏感层的电学性能或电位发生变化，产生电信号；
湿度敏感层由静电纺丝的胶原聚集体纳米纤维作为基材，并经功能改性使该胶原聚集体纳米纤维兼具导电性、吸湿性和高湿度敏感性；当湿度发生变化时，所述湿度敏感层吸湿导致湿度敏感层的电学性能或电位发生变化，产生电信号；
电极层设置在所述温度敏感层与所述湿度敏感层间，分别连接所述温度敏感层和所述湿度敏感层，另接电源为储存经过电源管理系统LTC3588-1处理后压力敏感层所产生电流的超级电容器。
2.根据权利要求1所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述的压力敏感层由静电纺丝制备的三维网络空间结构和微观珠链结构协同作用聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维负摩擦层、胶原聚集体纳米纤维正摩擦层和胶原聚集体弹性海绵组装得到。
3.根据权利要求2所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述中的胶原聚集体可制备于猪皮、牛皮、羊皮、鱼皮中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述的压力敏感层在检测压力的同时具备收集所施加外力的机械能，并利用电源管理系统LTC3588-1转换为电能并储存。
5.根据权利要求1所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述的温度敏感层是胶原聚集体经过聚聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐和多壁碳纳米管复合导电材料掺杂功能改性后，经过静电纺丝制成高温度交换效率的多孔纳米纤维薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述的湿度敏感层是以胶原聚集体为基体，通过在基体中分散酸化碳纳米管导电基质以得到导电性，并由丙三醇改性增强其吸湿性得到的。
7.根据权利要求6所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤，其特征在于，所述的湿度敏感层制备方式为材料经过静电纺丝制备具有高水分吸-脱附性的三维多孔结构和微观凸起结构纳米纤维薄膜。
8.一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备均匀混合的聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯溶液，通过静电纺丝制备三维网络空间结构和微观珠链的高比表面积和空气通过率的负摩擦层；
胶原聚集体溶液，通过静电纺丝制备高比表面积和空气通过率的正摩擦层；
胶原聚集体溶液，通过冷冻干燥制备胶原聚集体弹性海绵，组装压力敏感层；
向胶原聚集体溶液加入聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐和多壁碳纳米管，混合均匀后静电纺丝，得到温度敏感层；
在温度敏感层表面喷射导电石墨得到螺旋电极；
向胶原聚集体溶液加入酸化碳纳米管导电基质材料以及丙三醇，混合均匀后静电纺丝，得到结构湿度敏感层。
9.根据权利要求8所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤的制备方法，其特征在于，聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维负摩擦层中聚乙烯醇与聚偏二氟乙烯的质量比为(0～20) : (0～20)；温度敏感层中，聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐、多壁碳纳米管和胶原聚集体的质量比为(0～1) : (0～1) : (1～15) ；湿度敏感层中，酸化碳纳米管和胶原聚集体的质量比为(0～1) : (1～15)。
10.根据权利要求8所述的一种生物基全纤维自供电多功能电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯负摩擦层的制备：将聚乙烯醇在80～100 °C去离子水中溶解，搅拌1～3 h，浓度为0～18 wt%；再加入0～20 wt%聚偏二氟乙烯粉末，搅拌10～30 h，制得0～18 wt%聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯的均匀分散液；将铜网固定在距离针头10～20 cm的收集器上，由聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯纳米纤维均匀覆盖；静电纺丝机在工作过程中保持在一定纺丝条件下，进料速率为0.1～5 mL∙h–1；最后，将样品置于30～70°C的烘箱中干燥1～6h，以除去残留溶剂；
（2）胶原聚集体正摩擦层的制备和自发电压力敏感层的组装：5～20 wt%的胶原聚集体溶解在六氟异丙醇中，在30～50°C下搅拌10～40 min；静电纺丝在一定环境条件下以0.1～5 mL∙ h–1的进料速率进行，施加电压为5～40 kV，将铜网固定在距离针头5～40 cm的收集器上，将样品置于30～90°C的烘箱中干燥1～20 h，以除去残留溶剂；将20～40 wt%的胶原聚集体水溶液在冷冻干燥机中干燥2～48 h，直到形成海绵，并切割成厚度为0.05～0.2 mm的环；根据组装胶原聚集体、聚乙烯醇/聚偏二氟乙烯和胶原聚集体海绵，得到自发电压力敏感层；
（3）温度敏感层的制备：在0.1～5 wt%的聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐水分散液中加入0.1～5 wt%的多壁碳纳米管，超声分散混合0.1～5 h，加入5～20 wt%胶原聚集体，在30～80 °C下搅拌2～20 h，最后在30～80 °C下干燥，备用；将胶原聚集体改性物在30～80 °C条件下搅拌1～10 h溶于六氟异丙醇中，加入0～5 wt%的甲基硅酸钠防水剂，继续搅拌2～30 h，得到均匀混合的纺丝溶液；将组装好的自供电压力敏感层放置在收集器上，将制备好的胶原聚集体纺丝溶液放置在塑料注射器中，针头放置在离收集器5～40 cm位置；电压维持在5～40 kV范围内，进料速率控制在0.1～5 mL∙h–1范围内；将得到的样品在30～80 °C下干燥1～10 h，除去剩余溶剂，然后放置在平台上，用喷枪将石墨喷涂在上面，形成交叉电极，从而提供样品(a)；
（4）湿度敏感层的制备：将0.1～5 wt%的酸化碳纳米管超声0.1～5 h分散在去离子水中，加入5～20 wt%胶原聚集体在30～80 °C下搅拌0.5～30 h，在真空烘箱中干燥1～15 h，得到均匀混合物；5～20 wt%的胶原聚集体/酸化碳纳米管混合物在30～50 °C条件下搅拌1～10 h溶解在六氟异丙醇中，加入0～10 wt%丙三醇高速搅拌1～48 h，然后放入纺丝机注射器中；样品(a)附着在收集器上，离针5～40 cm，电压控制在5～40 kV范围内，保持一定的环境条件：温度30～70°C，湿度10～80 % RH)；得到的样品在30～70 °C的烘箱中干燥1～10h，以去除残留溶剂；
（5）电子皮肤组装：将自发电压力敏感层的正负极连接到电源管理系统LTC3588-1的输入端口，以收集运动产生的能量；能量管理电路的输出端与电子皮肤的交叉电极通过管道连接，作为湿度和温度检测的能源；制备的电子皮肤紧密地附着在人体皮肤上，灵敏地获取压力、温度和湿度信息。
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CN117490770A (zh) * 2023-11-13 2024-02-02 江西师范大学 一种基于pva光纤的温湿度传感器系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115855323A (zh) * 2022-11-24 2023-03-28 济南大学 一种高性能防水透气全柔性压电触觉传感器

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017088573A1 (zh) * 2015-11-26 2017-06-01 苏州明动新材料科技有限公司 一种柔性可穿戴干电极及其制备方法
CN107374780A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 北京中硕众联智能电子科技有限公司 一种人工智能皮肤及其检测温湿度和压力的方法
TW201741512A (zh) * 2016-05-20 2017-12-01 國立臺北科技大學 織物型彈性導電纖維膜及包含該纖維膜之織物型壓力感測器及智能開關
CN107502958A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 东华大学 基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备
CN107582215A (zh) * 2017-08-29 2018-01-16 北京中硕众联智能电子科技有限公司 具有温湿度和压力检测功能的人工智能皮肤及其检测方法
WO2018045980A1 (zh) * 2016-09-08 2018-03-15 北京纳米能源与系统研究所 可变形柔性纳米发电机、其制备方法、传感器及机器人
US20180103852A1 (en) * 2015-04-17 2018-04-19 Arizona Board of Regents on Behlf of the Uneversity of Arizona Systems, devices, and methods for contact measurement and modulation of material properties
CN109586608A (zh) * 2018-11-08 2019-04-05 北京化工大学 一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法
CN110514326A (zh) * 2019-08-14 2019-11-29 东华大学 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法
CN111121870A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 陕西科技大学 一种基于皮胶原聚集体的仿生多功能柔性传感器及其制备方法
CN111407281A (zh) * 2020-03-11 2020-07-14 电子科技大学 一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法
AU2020103760A4 (en) * 2020-11-29 2021-02-11 Qingdao University A flexible electronic skin with single electrode and its preparation method
CN113035970A (zh) * 2021-02-04 2021-06-25 郑州大学 正负光电导特性可调的纳米金刚石基探测器及其制备方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180103852A1 (en) * 2015-04-17 2018-04-19 Arizona Board of Regents on Behlf of the Uneversity of Arizona Systems, devices, and methods for contact measurement and modulation of material properties
WO2017088573A1 (zh) * 2015-11-26 2017-06-01 苏州明动新材料科技有限公司 一种柔性可穿戴干电极及其制备方法
TW201741512A (zh) * 2016-05-20 2017-12-01 國立臺北科技大學 織物型彈性導電纖維膜及包含該纖維膜之織物型壓力感測器及智能開關
WO2018045980A1 (zh) * 2016-09-08 2018-03-15 北京纳米能源与系统研究所 可变形柔性纳米发电机、其制备方法、传感器及机器人
CN107502958A (zh) * 2017-07-10 2017-12-22 东华大学 基于摩擦纳米发电机的透气型柔性压力传感器及其制备
CN107582215A (zh) * 2017-08-29 2018-01-16 北京中硕众联智能电子科技有限公司 具有温湿度和压力检测功能的人工智能皮肤及其检测方法
CN107374780A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 北京中硕众联智能电子科技有限公司 一种人工智能皮肤及其检测温湿度和压力的方法
CN109586608A (zh) * 2018-11-08 2019-04-05 北京化工大学 一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法
CN110514326A (zh) * 2019-08-14 2019-11-29 东华大学 一种压电-摩擦电混合型自驱动电子皮肤及其制备方法
CN111121870A (zh) * 2019-12-25 2020-05-08 陕西科技大学 一种基于皮胶原聚集体的仿生多功能柔性传感器及其制备方法
CN111407281A (zh) * 2020-03-11 2020-07-14 电子科技大学 一种基于杠杆原理的呼吸自驱动微气流传感器及其制备方法
AU2020103760A4 (en) * 2020-11-29 2021-02-11 Qingdao University A flexible electronic skin with single electrode and its preparation method
CN113035970A (zh) * 2021-02-04 2021-06-25 郑州大学 正负光电导特性可调的纳米金刚石基探测器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YOUYOU WANG,XUECHUAN WANG: "Review articleOpen access Advanced collagen nanofibers-based functional bio-composites for high-value utilization of leather: A review", JOURNAL OF SCIENCE, pages 153 - 166 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116159224A (zh) * 2023-04-25 2023-05-26 成都中医药大学 一种结合自供电柔性传感进行激光照射的助眠敷贴
CN117490770A (zh) * 2023-11-13 2024-02-02 江西师范大学 一种基于pva光纤的温湿度传感器系统

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