【摘 要】
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可模拟人体传感特征的柔性自供电传感器在软体机器人、仿生医疗、人工智能等领域有着广泛的应用。基于摩擦电和压电纳米发电机的自供电传感器通过电子传输信号,与人类感觉系统的信号载体（离子）不同;而离子二极管组件之间也可能存在分层问题,以及由于应用了金属电极而限制了其可拉伸性和透明度。此外,基于离子二极管的传感器仅能对机械刺激做出反应,并不能感知与人体活动相关的热和化学刺激。因此,设计能够模拟人类感官系统、
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可模拟人体传感特征的柔性自供电传感器在软体机器人、仿生医疗、人工智能等领域有着广泛的应用。基于摩擦电和压电纳米发电机的自供电传感器通过电子传输信号,与人类感觉系统的信号载体（离子）不同;而离子二极管组件之间也可能存在分层问题,以及由于应用了金属电极而限制了其可拉伸性和透明度。此外,基于离子二极管的传感器仅能对机械刺激做出反应,并不能感知与人体活动相关的热和化学刺激。因此,设计能够模拟人类感官系统、可伸缩的、多功能的自供电离子传感器仍然是一个巨大的挑战。为解决上述难题,本文提出了仿生梯度聚电解质水凝胶自供电离子传感器的构建策略。主要研究结果如下:1.在电场诱导下使用天然聚阳离子电解质壳聚糖（Chitosan,CS）制备了梯度水凝胶,并分别在梯度水凝胶的上下两侧原位聚合一层聚丙烯酰胺/氯化钠（PAM/Na Cl）离子水凝胶充当离子电极,最终得到类细胞膜结构的全离子自供电仿生传感器（Self-powered ionic receptor,SPI receptor）。SPI传感器不仅具有自诱发电势,而且具有良好的可拉伸性和透明性。SPI水凝胶传感器可以精确感知压力的微小变化,能够在0.05k Pa的压力下进行响应;并且具有较宽的应变传感范围（＞120%）,较高的应变灵敏度（2.72）;此外,该传感器具有良好的稳定性,在一定范围内可实现重复波形。该自供电传感器还可以对人体的各种活动（例如手指弯曲、脉搏、摆臂等）进行精准检测,未来在人体活动监测和智能医疗等领域具有广阔的应用前景。2.褶皱结构广泛存在于自然界中,这类结构通常是材料因受力不均而产生的弯曲变形。受此启发,我们将褶皱结构引入梯度聚电解质水凝胶中,在单侧紫外光照射下制备出梯度聚丙烯酰胺/聚丙烯酸（PAM/PAA）水凝胶,并通过控制PAM/PAA水凝胶在氯化铁（Fe Cl3）溶液中的拉伸比等条件,得到规则且具有连续梯度褶皱结构的柔性压力传感器。带有褶皱的压力传感器增大了应力传感范围,实现了在0.025 k Pa的小压力下进行传感响应,同时还可以根据应力的大小,分别实现电势的增大或减小,实现更高灵敏度应力传感。3.人体皮肤和舌头上的感受器可以通过细胞膜的潜在变化来感知外界的化学刺激,然后这些刺激再由神经传递到大脑,形成感觉反馈。受人类传感系统的启发,我们利用梯度聚电解质水凝胶充当极化的细胞膜,离子水凝胶充当细胞外和细胞内的电解质,分别探究了仿生细胞膜结构的梯度水凝胶传感器对周围温度场和化学刺激如盐度、p H值的传感响应能力。根据热扩散引起的电位变化可以以非接触方式精确感知温度场（2.9℃）;并可根据盐度梯度离子扩散引起的电势变化精确感知所滴加溶液的盐度(10-5M-10 M)和p H(10-5M-10-2M)。与离子-电子混合策略不同,这种完全由离子导体组成的自供电传感器将更有助于未来复杂的类人传感系统的发展。
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