《Materials Research Bulletin》：A novel preparation for ionic skin and its multimodal sensing applications
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离子皮肤通过结合离子液体和热致变色晶体，实现了压力与温度的同步检测。研究通过调节离子液体比例，优化了机械柔韧性与传感性能的平衡，最终获得4.38 kPa?1的高压灵敏度、100 Pa检测极限及宽范围工作能力。应用场景涵盖生理监测和无线传感。
朱云龙|李健|程旭东|陈乃昌|刘旭东|徐冰桥|周阳新|董志成|胡传杰|江宗成|董佩梅|薛振宇
中国浙江吉利大学信息工程学院，浙江省电磁波信息技术与计量学重点实验室，杭州310018，中国
摘要
离子皮肤（I-skin）在人机交互、健康监测和可穿戴电子设备领域引起了越来越多的关注。一种典型的方法是利用离子液体（IL）构建电双层（EDL）以实现多模态传感。然而，由于添加了IL，机械柔韧性和传感性能之间的权衡往往被忽视。在这项工作中，我们提出了一种创新的制造策略，通过旋涂IL和热致变色晶体来制备一种能够可视化温度的介电层。这使得I-skin能够同时实现电容式压力传感和离子电子温度传感。通过调整IL的比例，可以全面调节单位面积电容（UAC）、杨氏模量以及整体的机械和传感性能。所制备的I-skin具有高压力灵敏度（4.38 kPa^-1）、宽工作范围（高达300 kPa）、低检测限（100 Pa）和强大的多模态传感能力。这些优势使其适用于生理监测和无线被动传感等智能场景。
引言
人类皮肤能够感知多种刺激，包括压力、拉伸和热信号，因此在环境感知中起着关键作用[1,2]。类似于利用离子传递信号的天然皮肤，离子皮肤（I-skin）作为一种传感介质，被认为是与生物体交互的最有前途的传感平台之一[3,4]。然而，与天然皮肤不同，大多数I-skin被设计用于收集一种类型的生物信息（生物力学或生物电信号），这限制了它们对人类生理状态和复杂活动的全面理解[5,6]。
离子电子传感为仿生多模态I-skin带来了新的活力，这是一种基于离子迁移和弹性电解质-电子界面形成的电双层（EDL）的超电容行为的新型传感方式[[7], [8], [9]]。这项技术最初由加州大学戴维斯分校潘廷瑞教授的研究小组在2012年提出[10,11]。然而，在十多年的发展过程中，现有的离子电子I-skin制造方法仍然面临多方面的挑战。I-skin的液滴结构存在泄漏风险，而离子凝胶结构则需要精确的结构设计以降低起始压力阈值[[12], [13], [14]]。尽管通过静电纺丝制备的离子织物具有柔性基底的优势，但高浓度离子液体（IL）的引入使得纺丝过程变得困难，且I-skin的机械性能和结构稳定性无法满足实际应用的需求[15]。因此，需要开发一种创新的制备方法来获得更好的性能和功能。
2020年，鲍振楠等人开发了一种基于离子松弛机制的人工多模态受体，实现了温度和应变响应的分离，这是单个传感单元多模态传感方面的重大进展[16]。然而，我们发现归一化电容（ΔC/C0）依赖于预先校准的参考曲线，在动态温度测量中，有限的应变灵敏度导致检测拉伸的能力下降。同时，含有5% IL浓度的I-skin表现出较低的初始电容值，因此容易受到环境中的寄生电荷和电磁噪声的影响[[17], [18], [19]]。
总的来说，尽管I-skin的发展取得了显著进展，但要实现真正类似皮肤的功能仍然存在重大挑战，这要求人工皮肤具备机械柔韧性、可拉伸性、高灵敏度以及对多种刺激的快速响应。在这项工作中，我们提出了一种创新的制造策略，用于开发一种能够可视化温度的I-skin，以实现电容式压力传感和离子电子温度传感。研究表明，由于添加了IL，机械性能和传感性能之间存在明显的权衡。在IL浓度较低时，I-skin的杨氏模量和温度灵敏度得到提升。然而，这种配置的单位面积电容（UAC）降低，压力传感性能较差，且容易受到环境寄生电容的影响。因此，通过调整IL浓度来提高I-skin的初始电容和UAC，我们消除了I-skin受到环境电容干扰的风险，并在100 Pa至300 Pa的宽压力范围内实现了高达4.38 kPa^-1的灵敏度，同时保持了可拉伸性。所制备的I-skin在生理活动监测、呼吸监测、手势识别、语音识别以及无线被动传感等方面展现了出色的应用潜力。
材料
材料
聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）粉末购自Arkema（产品：Kynar Flex 2801-01，法国）。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）购自Sigma。1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）亚胺（[EMIM][TFSI]）购自Macklin。氯化胆碱购自Aladdin。六水合氯化镍（II）和乙醇购自上海沪士（中国）。所有试剂均直接使用，无需进一步处理
结论
总之，我们成功制备了用于多模态传感的可视化温度I-skin。通过将热致变色晶体引入与离子液体（IL）结合的介电层中，我们制备的I-skin实现了直观的温度可视化映射，同时构建了用于电容式压力传感和离子电子温度传感的电双层（EDL）。正如本研究所示，适当的IL浓度至关重要
CRediT作者贡献声明
朱云龙：撰写——原始草案、方法论、研究、数据管理。李健：软件、方法论、形式分析。程旭东：方法论、形式分析、数据管理。陈乃昌：方法论、形式分析。刘旭东：研究、形式分析。徐冰桥：软件、方法论。周阳新：方法论、研究。董志成：数据管理。胡传杰：软件。江宗成：可视化。董佩梅：撰写——审阅与编辑、监督，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了浙江省自然科学基金（项目编号：LQ23F010014）的支持。
