電子皮膚可模仿人體皮膚對(duì)外界環境（包括對(duì)壓力、溫度及化學(xué)等刺激）的感知，因而可廣泛應用于人工智能(néng)和醫學(xué)診斷等領域。盡管近年來電子皮膚研究取得了長(cháng)足進(jìn)展，但仍然還(hái)存在感應材料的響應靈敏度不足、穩定性和抗幹擾能(néng)力較差及感應的範圍窄等諸多問題，這(zhè)些限制了其實際應用。要解決以上問題，選用具有優異性能(néng)的活性材料和設計合理的器件結構是關鍵。碳納米材料（碳納米管、石墨烯等）因其優越的物理、化學(xué)以及電學(xué)性能(néng)成(chéng)爲制造高性能(néng)柔性傳感器最常用的活性材料之一。然而，由于碳材料本身無彈性，因而在構築柔性器件時，往往需要與柔軟且具有彈性的高分子複合的同時盡量保持其本身性能(néng)。因此，開(kāi)發(fā)出有效的方法將(jiāng)碳基材料與高分子有效複合，對(duì)開(kāi)發(fā)出高性能(néng)柔性可穿戴器件至關重要。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所陳濤研究員團隊前期研發(fā)了系列基于碳材料的高分子複合體系，并取得了階段性進(jìn)展（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810; Chem. Mater., 2016, 28, 7125; Chem. Commun., 2017, 53, 1949; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 10217; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666; Nature Commun., 2018, 9, 4051; Chem. Commun., 2018, 54, 12804），這(zhè)些高分子碳基複合體系是柔性可穿戴傳感器件的重要材料基礎。
模仿生命體系，有助于我們設計高效的傳感器件。例如，水分子在人體大部分代謝過(guò)程中至關重要，可通過(guò)實時監測人體皮膚表面(miàn)和呼出的空氣周圍水分子的含量和分布，獲得個體的生理和心理信息。近期，研究人員開(kāi)發(fā)了基于聚多巴胺/石墨烯納米異質結的柔性仿生濕敏材料。這(zhè)種(zhǒng)材料通過(guò)自組裝可以在電極間形成(chéng)規則的層狀二維結構膜，并且通過(guò)調控聚多巴胺量可以在0.7nm到1.4nm範圍精确調控其層間距。其中所存在的納米級孔道(dào)結構有利于水分子快速運輸，在動力學(xué)上保證器件快速的響應與回複，層間中的聚多巴胺分子可以通過(guò)氫鍵快速“捕獲”水分子與“釋放”水分子，在熱力學(xué)上保證器件快速的響應與回複。利用該傳感器我們構築了一套柔性可穿戴器件，能(néng)夠以非接觸的方式監控呼吸、運動甚至說謊等心理活動所引起(qǐ)的人體非常微弱的濕度波動信息（Chem. Mater., 2018, 30, 13, 4343-4354）。
在高分子碳基複合體系的設計中，特别是面(miàn)向(xiàng)柔性傳感器的應用中，非對(duì)稱複合有助于發(fā)揮高分子及碳基材料各自的性能(néng)優勢。最近，該團隊與中科院北京納米能(néng)源與系統研究所潘曹峰研究員團隊合作，研究人員利用石墨烯片層在水/空界面(miàn)的二維宏觀薄膜的組裝，以所得石墨烯膜作爲傳感層與具有微納結構的PDMS彈性體組成(chéng)非對(duì)稱複合結構，其中石墨烯膜傳感層的導電性和厚度通過(guò)調控組裝層數可以得到很好(hǎo)地平衡。所得傳感器表現優異的綜合性能(néng)，同時具有高靈敏度（1875.53kPa-1）和寬線性檢測範圍（0-40kPa）以及良好(hǎo)的穩定性和超高的信噪比（78db）。基于這(zhè)些優異的性能(néng)，構建了一套通用、高精度、可穿戴的無線脈搏監測系統。該傳感系統相比于商用可穿戴脈搏傳感器有諸多優勢，該系統除具有良好(hǎo)柔性與穿戴舒适性外，還(hái)具有高精度，抗身體運動幹擾的優勢，并實現在日常運動過(guò)程中（在跑步或騎自行車時）實時檢測動脈脈搏信号，有望用于個性化診斷（Nano Energy, 2019, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.036）。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51573203）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國(guó)際合作重點項目（174433KYSB20170061）等的資助。
圖1 基于聚多巴胺/石墨烯納米異質結的柔性仿生濕敏材料應用于柔性可穿戴器件
圖2 自組裝石墨烯-PDMS非對(duì)稱複合結構材料應用于高精度脈搏實時檢測柔性可穿戴器件
（高分子事(shì)業部 何江）
