具有個人熱管理能力的離子電子觸覺傳感器

熱設計 2023-11-08

來源：Nano Energy

原文：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109006

01 背景介紹

柔性傳感器作為實現環境感知和信息交互的關鍵傳感器件，由于其它們在可穿戴醫療保健監測、運動訓練、醫療診斷和治療、人機交互等方面的新興潛在應用。迄今為止，通過基于電阻式、電容式、壓電式和摩擦電式傳感器的多樣化傳感機制構建不同的傳感結構，觸覺傳感器已經取得了長足的發展并使用各種聚合物材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Ecoflex 作為彈性體基材。然而，除了傳感能力和柔性結構外，還必須考慮長期貼膚傳感應用時的佩戴舒適度。傳統的聚合物基材具有致密的內部結構，這些結構是氣密的，從而阻礙了覆蓋的皮膚與外部環境之間的正常質量微交換。因此，需要氣體和水蒸氣的滲透來維持合適的熱微環境，以平衡皮膚表面因排汗而流失的水分和熱量，否則濕氣會在覆蓋部位積聚成大量液體，導致不舒適。覆蓋皮膚的熱生理感覺，例如潮濕、發紅和炎癥。這是因為皮膚需要保持約 30-34 °C 的狹窄溫度范圍，以獲得細胞和組織的最佳生物功能。過熱或過冷都會對皮膚的健康狀況產生負面影響。此外，累積的流動液體和增加的點溫度也會對柔性傳感器的物理形成、傳感性能和可靠性產生負面影響。因此，基于具有獨特透氣性和透濕性的織物或多孔平臺構建柔性傳感器以維持正常的個人熱管理已成為以舒適健康的貼膚穿著為目的的新的發展趨勢。過熱或過冷都會對皮膚的健康狀況產生負面影響。因此，基于具有獨特透氣性和透濕性的織物或多孔平臺構建柔性傳感器以維持正常的個人熱管理已成為以舒適健康的貼膚穿著為目的的新的發展趨勢。可穿戴傳感器緊密附著在不同身體部位的皮膚上，用于生理監測和運動檢測。除了傳感性能和柔性結構之外，保持覆蓋的皮膚與外部環境之間的正常質量微交換以及適當的散熱能力對于舒適的佩戴也非常重要。

02 成果掠影

近期，河北工業大學孟垂舟老師研究團隊報告了一種新型柔性透氣觸覺傳感器的設計和制造，該傳感器具有獨特的個人熱管理能力。該傳感器采用微結構的超級電容離子電子傳感結構，將一個多孔聚氨酯/離子液體海綿與兩個電紡熱塑性聚氨酯/MXene納米纖維電極夾在中間，以提高靈敏度（～105.77 kPa -1）。此外，聚合物的固有彈性性質賦予整個裝置優異的機械柔韌性，基底的織物和多孔內部開放式結構提供良好的透氣性和透濕性（～48 mm s -1）保持正常的散熱能力（比氣密膜覆蓋約低1℃），不會引起皮膚發紅或發炎。此外，高太陽反射率（~0.98）二氧化硅微粒被納入發射性（~0.94）熱塑性聚氨酯納米纖維中，以在戶外場景中實現有效的被動冷卻效果（比織物衣服覆蓋的溫度低~3℃）。所開發的柔性透氣觸覺傳感器及其設計和制造策略為開發具有獨特的個人熱管理能力的先進可穿戴電子產品提供了一條有前途的途徑，以實現舒適的皮膚附著傳感應用。研究成果以“Flexible and breathable iontronic tactile sensor with personal thermal management ability for a comfortable skin-attached sensing application”為題發表于《Nano Energy》。

03 圖文導讀