用于抑制串扰的人造皮肤的机械转导有机电化学二极管

《Advanced Functional Materials》：Mechanotransducing Organic Electrochemical Diode for Crosstalk-Inhibited Artificial Skin

可变形离子二极管结合机械传感与印刷技术实现高频整流和高精度应变/压力映射，有效抑制交叉干扰，为软电子触觉系统提供新范式。

　　近年来，随着人工智能和机器人技术的快速发展，柔性电子系统在智能触觉传感、医疗监测和仿生假肢等领域的应用日益广泛。这些系统需要具备高度灵敏的触觉感知能力，以模拟人类皮肤对触觉刺激的响应，包括压力、形变等。然而，现有的触觉传感技术在实现高分辨率、低电交叉干扰、可扩展制造以及在动态刺激下的模拟信号保真度方面仍面临诸多挑战。本文提出了一种创新的触觉传感结构，即将离子二极管功能与机械传感机制集成在一个有机电化学二极管薄膜中，从而实现兼具高导通比与应变响应的柔性触觉皮肤（IE-skin）系统。

该新型二极管被称为“机械触发电化学二极管”（M-OECD），其结构由三层组成：有机半导体层（OSC）、离子导电层和电流收集层。其中，有机半导体层主要采用共轭聚合物，如regioregular P3HT（RR-P3HT），而电流收集层则由银片与液态金属微粒组成，结合聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底形成弹性结构。离子导电层则由弹性聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（e-PVDF-HFP）和离子液体（[Bmim][TFSI]）构成，能够实现离子与空穴的不对称耦合效应，这是其能够实现电学整流功能和机械应变传感的关键机制。

通过这种结构设计，M-OECD能够在机械变形时表现出可逆的阻抗变化，同时保持良好的整流性能。当受到拉伸时，电极面积增加，而离子导电层厚度减小，这使得在正向偏压下，阻抗显著降低，而在反向偏压下，阻抗则相对稳定。这种不对称的阻抗响应是实现高整流比的基础，也是构建可承受动态应变的触觉传感系统的重要前提。研究团队通过实验发现，在100 Hz的频率下，M-OECD的整流比可达5 × 102，远超之前报道的离子二极管的整流比和频率表现，从而显著提升了触觉信号的检测精度和响应速度。

为了进一步验证其性能，研究团队制造了一个10 × 10像素的IE-skin原型，该传感器能够在不依赖额外信号处理的情况下，实现对压力和形变的精准映射。通过采用传统的印刷工艺，能够直接构建出抗电交叉干扰的像素化触觉传感器阵列。这种结构不仅简化了制造流程，还降低了成本，使得大规模生产成为可能。实验表明，该IE-skin在拉伸至80%应变时仍能保持稳定的整流比，且在1000次拉伸循环后，其性能未发生明显退化，显示出良好的机械耐久性。

此外，该结构在不同环境条件下的稳定性也得到了验证。例如，在高温（50°C）和高湿度（RH = 60%）条件下，M-OECD仍能维持其性能，且在高湿度环境下，其阻抗变化表现出与环境湿度的可预测关系。这表明，该材料具有良好的环境适应能力，能够在多种应用场景中保持稳定工作。同时，研究团队还通过对比实验发现，传统的电子二极管在面对高应变或循环拉伸时存在性能限制，而离子二极管虽然具有良好的拉伸能力，但在高频率下的整流比不足。相比之下，M-OECD通过电化学掺杂机制实现了优异的性能平衡，既满足了高整流比的需求，又保持了良好的机械柔韧性。

为了进一步提升IE-skin的灵敏度，研究团队还将其放置在一个多孔聚氨酯（PU）海绵上，通过施加压力来模拟真实环境中的触觉刺激。实验表明，当压力在0–120 kPa范围内变化时，IE-skin能够呈现出清晰的阻抗变化，而相邻像素的阻抗则基本不变，从而有效抑制了电交叉干扰。这种性能使得IE-skin能够在不依赖复杂电路设计的情况下，实现对局部压力的高精度检测，同时保持整个阵列的稳定性和一致性。

在材料制备方面，研究团队采用了多种工艺，包括旋涂、印刷和固化等。首先，通过旋涂将RR-P3HT溶液均匀地涂覆在弹性基底上，形成有机半导体层。接着，将液态金属与PDMS结合，通过印刷工艺形成电流收集层。随后，将离子液体与e-PVDF-HFP混合，制备出离子导电层。这些步骤共同构成了M-OECD的制造流程，使得其能够实现高性能的触觉传感功能。同时，为了提高材料的耐久性，研究团队还对整个结构进行了封装处理，以防止水分渗透和机械损伤。

在实验测试中，研究团队采用了多种方法，包括电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和表面形貌分析等。这些测试不仅验证了M-OECD的性能表现，还揭示了其在不同条件下的行为特征。例如，在高频率下，M-OECD表现出优异的整流能力，而在高湿度环境下，其性能则受到一定影响，显示出需要进一步优化的空间。此外，研究团队还通过光学显微镜和原子力显微镜（AFM）对有机半导体层的表面形貌进行了分析，发现其在拉伸后仍能保持良好的连接性，这有助于维持其电化学掺杂能力。

该研究不仅在理论层面提出了新的触觉传感模型，还在实验层面实现了突破。M-OECD通过整合离子导电与机械应变传感，为柔性电子系统提供了一种全新的解决方案。这种结构设计使得触觉信号的采集更加高效，且无需复杂的信号处理流程，从而提升了系统的实时性和可靠性。此外，研究团队还通过多通道测量技术对IE-skin的应变映射能力进行了评估，结果显示其能够准确地反映局部应变分布，同时保持整个阵列的稳定性。

总体来看，这项研究在柔性触觉传感领域取得了重要进展。M-OECD不仅具备高整流比和良好的机械性能，还能够实现精准的应变检测，为智能机器人、仿生假肢和可穿戴设备的发展提供了新的材料基础。其结构简单、可扩展性强，且能够通过印刷工艺实现大规模生产，这使得该技术有望在未来的实际应用中发挥重要作用。此外，研究团队还提出了一个材料设计的新范式，即通过调控离子浓度和有机半导体层的厚度，可以灵活地调整二极管的性能，从而满足不同应用场景的需求。

在未来的研发方向上，研究团队认为应进一步优化半导体-电解质界面的电荷转移动力学，以提高整流比并增强机械耐久性。同时，需要探索更高效的封装方法，以防止环境因素对性能的影响。此外，研究团队还计划将M-OECD与更先进的电子系统集成，以实现更复杂的触觉反馈功能。通过这些努力，有望开发出更加智能化、高精度的柔性触觉系统，从而推动相关技术在医疗、工业和消费电子领域的应用。

综上所述，这项研究为柔性触觉传感技术提供了一种全新的解决方案，其核心在于将离子二极管功能与机械应变传感机制相结合。通过这种结构设计，M-OECD不仅实现了高整流比和良好机械性能，还能够通过印刷工艺实现大规模生产，为智能机器人和可穿戴设备的发展提供了重要支持。同时，该研究也揭示了材料设计与性能调控之间的关系，为未来的研发提供了理论依据和技术路径。