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高性能Discover蓄电池型自供电电子皮肤的超弹性MXene/聚合物气凝胶
压敏电子皮肤在智能医疗、机器人和人工智能领域引起了极大关注。为了满足对柔性电子和极限压力感测微型化和高度集成需求的日益增长，迫切需要开发自供能的广域电子蒙皮。本文报道了前所未有的电池式自供电一体压敏可伸缩电子皮肤，由高弹性MXene/聚氨酯（PU）气凝质阳极、PU/磷酸锂（LiFePO）组成4）/MXene 阴极，具有微结构表面，以及聚（离子液）离子凝胶电解质。电子表皮的压力感应能力是通过传感器在外部压力下电阻变化引起的输出电流变化实现的。最终的电子表皮结合了低检测限（10 Pa）、超宽压力检测范围（10 Pa-3.2 MPa）、高灵敏度、高耐疲劳性（在65 kPa下可达10,000次循环）、宽的工作温度范围（−70至60 °C）、可逆拉伸性（20%应变）以及热绝缘性能。研究表明，电子皮肤可用于监测人体运动、生理信号以及轮胎的高压。此外，电子皮肤还能使仿生手和握把在极端环境下实现广泛的触觉感知。这项工作为高性能自供电、广域压敏电子皮肤开辟了新途径。
图形摘要
近年来，电子皮肤在机器人、人工智能、人机界面和健康监测等多个领域备受关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。柔性压力传感器是电子蒙皮的重要组成部分，能够将外部压力信号转换为电信号，从而实现静压或动压的检测[7]， [8]， [9]。为了满足对轻薄、柔韧且舒适的电子皮肤的需求，开发了多功能一体自供能压力传感器的努力。关于传感机制，柔性压力传感器可分为四种类型：压阻式[10]、电容[11]、摩擦电[12]和压电[13]压力传感器。在压力传感器中，传统的压阻和电容传感器需要外部电源。相比之下，摩擦电和压电压力传感器可以在无需外部电源的情况下实现自供电压力感应[13]， [14]， [15]， [16]。然而，摩擦电和压电传感器通常无法直接检测静压。迫切需要开发用于静态和动压感测的自供能高性能宽域压力传感器。
电池作为能量储存装置，可以输出电流。新型电池式自供电压力传感器可以通过构建一种特殊结构，在外部压力下影响输出电流[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]来开发。电池供电的自供电压力传感器可设计成无需外部电源的一体化配置，有助于构建高度集成的自供电电子表皮。此外，与通常无法检测静压的压电和摩擦电传感器不同，电池式传感器可以在无需外部电源的情况下输出电流或电压，因此适用于检测静压和动压。高等人于2022年首次报道了一款一体化锌离子电池式柔性压力传感器。该器件通过在固态电池中引入隔离层，实现了370 kPa的最高检测极限。装置的内部电阻在外部压力下会发生变化，使其能够进行压力检测[23]。同年，张等人报告了类似的电化学自供能压力传感器。传感器主体为可充电固态锌离子电池作为能量供应装置，非织造物作为夹层材料插入其中。在加压时，非织布与电极之间的接触面积增加，从而产生更大的电流[21]。然而，准备兼具高灵敏度和宽探测范围的自供能压力传感器是一项巨大挑战，这限制了其在广泛传感场景中的应用。因此，灵敏度和压力检测范围的提升是柔性电池式自供电压力传感器领域的重要研究方向。
为了提高压力传感器的灵敏度和探测范围，已有大量努力开发多种配置的压力传感器。具有优异的可压缩性和弹性的柔性多孔结构，在外压下能实现较大的接触面积变化，并在释放压力时恢复原有结构，这对于获得高灵敏度至关重要[27]，[28]。此外，微结构表面被广泛用于提高柔性压力传感器的灵敏度[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。郭等人报告了一种以砂纸为模板的微观结构工程设计策略，并通过该策略开发了离子子柔性压力传感器。获得的带有沟槽和沟纹的微观结构有效提升了传感器的灵敏度和压力响应范围（最高可达360 kPa）[32]。谢等人通过自发皱缩法制备了微观结构，使压力传感器具有高灵敏度（1.4 kPa−1）以及低检测限（0.2 Pa）[34]。据报道，梯度结构和多层结构可以增强压力传感器的探测范围[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。Oh等人报告了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料、具有分层多孔结构的压力传感器，其灵敏度和检测范围优于散装PDMS传感器[37]。Zu等人报道了一种基于可拉伸且高度弹性还原石墨烯氧化物/聚氨酯（PU）纳米复合气凝胶、梯度结构的仿真可穿戴电子皮肤。梯度结构促进了高压下的应变转移和电阻变化，实现了1 Pa − 12.6 MPa的超宽检测范围[39]。受这些工作的启发，自供能的柔性压力传感器的压力检测范围和灵敏度可通过构建梯度多孔结构进一步提升。
气凝胶具有高比面积、高孔隙率、低密度的特点，并在压力/应变传感器、能量储存、催化、热绝缘等领域展现出有前景的应用[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。MXene具有独特的纳米片结构，表面有丰富的官能团（如-OH、−F和−Cl），这使得交联变得容易。MXene以其卓越的电导率著称，这对于电子器件中高效的电荷传输至关重要。其纳米片结构表面积较大，可增强离子储存能力，适合能源存储应用。弹性基MXene气凝胶可用于高灵敏度压力传感器[45]。例如，丁等人报道了一种压力传感器用MXene/芳纶纳米纤维（ANFs）复合气凝胶，其检测范围为10 Pa-5 kPa，灵敏度为128 kPa−1[46]。Feng等人报道了一种新型MXene/聚苯胺/细菌纤维素（MXene/PANI/BC）气凝胶压力传感器，灵敏度为327.2 kPa−1以及70 kPa的最高检测限[47]。Shen等人报道了一种导电聚酰亚胺纳米纤维（PINF）/MXene复合气凝胶，具有典型的“层支撑杆”支撑层级纳米纤维细胞结构，适合压阻传感器，其检测范围为10 Pa − 85.2 kPa，灵敏度为0.14 kPa−1[48]。Li 等人报道了一种介层可调谐的 MXene 气凝胶，用于自修复的柔性压力传感器，灵敏度高达 1799.5 kPa−1（<2.8 kPa），但检测上限较低，仅<68.7 kPa [49]。尽管已有基于MXene复合气凝胶的高灵敏度压力传感器报道，但实现宽广探测范围和高灵敏度的结合仍是巨大挑战。
本研究开发了基于超弹性MXene/聚合物气凝胶的新型电池型单体自供电压敏柔性电子皮肤，结合了高灵敏度和超宽范围的检测能力。电子表皮由基于MXene/PU的气凝胶阳极、聚离子液体离子凝胶电解质和PU/LiFePO组成4/MXene 阴极，具有微结构表面。施加在传感器上的外部压力会导致电极和电解液电阻发生变化，从而改变传感器的电流输出，从而实现自供电压力检测。气凝胶阳极的三维（3D）多孔结构和阴极的微结构表面对于实现高灵敏度、低检测限和快速响应压力至关重要。多层模梯度结构促进了器件在高压下的应变传递和阻力变化，从而实现了宽广的压力检测范围。此外，电子蒙皮结合了宽的工作温度范围、高循环压缩稳定性和良好的隔热性能。其宽广的工作温度范围使其能够在高温（最高60°C）和低温（低至−70°C）下检测压力。该研究为开发具有广泛响应范围的下一代自供电压敏电子皮肤提供了新颖途径。