皮膚是人體最大的器官，承擔(dān)著保護人體內(nèi)部組織和感受外界刺激的功能。與人體皮膚類似，電子皮膚可以保護智能機器人內(nèi)部的精密結(jié)構(gòu)不受損傷，更重要的是，它能賦予機器人“知覺”，讓其能感受到外界環(huán)境的刺激和變化，及時做出響應(yīng)。早在20 世紀(jì)70 年代，電子皮膚的概念就出現(xiàn)在很多科幻小說和科幻電影中，與此同時，科學(xué)家們也開始對電子皮膚進(jìn)行不斷探索，因為除智能機器人以外，電子皮膚在仿生假肢、健康監(jiān)測等領(lǐng)域也有巨大應(yīng)用前景。 電子皮膚的基本單元是柔性應(yīng)變傳感器。隨著智能終端的普及，電子皮膚作為可穿戴設(shè)備在過去20 年中得到蓬勃發(fā)展。許多新材料被開發(fā)用作電子皮膚的應(yīng)變敏感材料，包括碳納米管、石墨烯、金屬和半導(dǎo)體納米線、金屬納米顆粒、有機高分子材料等。然而，這些材料都有著自己的短板，強烈地限制了電子皮膚的實際應(yīng)用。例如，通過化學(xué)氣相沉積方法生長的石墨烯往往含有很多缺陷和雜質(zhì)，并且由于溫度的限制無法直接生長在柔性襯底上；金屬納米顆粒多是由貴金屬組成， 并且由于隧穿效應(yīng)在監(jiān)測應(yīng)變時電阻會變得很大；金屬和半導(dǎo)體納米線價格昂貴且難以大規(guī)模集成；有機高分子材料力學(xué)性能與人體皮膚最為接近，但是其導(dǎo)電性太差，需要較大電壓驅(qū)動，對于可穿戴設(shè)備而言能耗高且不安全。因此，尋找同時具備導(dǎo)電性好、柔性佳、靈敏度高、穩(wěn)定、易加工等特點的應(yīng)變敏感材料對電子皮膚的實際應(yīng)用迫在眉睫。 金屬合金是人類最早開發(fā)并且至今仍在日常生活中使用最廣泛的材料之一。然而，晶體金屬合金的彈性極限范圍很小，一般金屬合金材料的彈性極限遠(yuǎn)小于0.5%，這是金屬材料應(yīng)用在電子皮膚領(lǐng)域最大的短板。急速冷卻是制備新型合金材料的現(xiàn)代方法，這種方法可以將金屬液體無序的原子結(jié)構(gòu)保留下來，得到的非晶合金材料可以極大地提高其彈性極限范圍，高達(dá)2%，是一般合金材料的幾十倍。與此同時，非晶合金又能將金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性較好地保留下來。利用非晶合金材料這些特性，我們最近開發(fā)了一種新型柔性高性能應(yīng)變傳感器——非晶合金皮膚。 非晶合金皮膚是通過離子束濺射方法將ZrCuNiAl 等非晶合金薄膜直接生長在柔性塑料(PC)襯底上得到的。如圖1 所示，非晶合金皮膚柔性好，很容易彎曲超過180°。通過選擇不同大小的襯底，非晶合金皮膚的面積可以實現(xiàn)從幾平方毫米到150 cm2的連續(xù)變化。通過對非晶合金薄膜的厚度進(jìn)行調(diào)控，非晶合金皮膚視覺上可以變“透明”。 圖1 (a)非晶合金皮膚的光學(xué)照片；(b)XRD 和TEM表明它的無序原子結(jié)構(gòu)；(c)“透明”的非晶合金皮膚；(d)非晶合金皮膚的透光率隨非晶合金薄膜厚度的變化 電子皮膚的核心功能是將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號，一種較為常見的策略是通過壓阻效應(yīng)，即材料電阻隨應(yīng)變的改變來實現(xiàn)，因為其響應(yīng)快、信號轉(zhuǎn)換方便等特點。對該傳感器進(jìn)行的壓阻效應(yīng)測試結(jié)果表明(圖2)，非晶合金皮膚保留了金屬材料高電導(dǎo)率(>5000 S cm-1)、電阻與應(yīng)變之間有完美的線性關(guān)系、穩(wěn)定性好等特點。同時，與傳統(tǒng)晶態(tài)金屬材料相比，彈性范圍有很大的提高(室溫下的理論彈性極限為4.2%)。圖2(d)顯示非晶合金皮膚可以用來靈敏地監(jiān)測手指彎曲程度， 表明其在仿生學(xué)等方向有很大應(yīng)用前景。 圖2 非晶合金皮膚壓阻效應(yīng)測試(a)非晶合金皮膚電阻隨應(yīng)變的變化；(b)循環(huán)測試結(jié)果；(c)1000 次彎折后的結(jié)果；(d)非晶合金皮膚用來監(jiān)測手指彎曲程度的示意圖 非晶合金區(qū)別于晶態(tài)合金的最大特點在于其原子和電子結(jié)構(gòu)的無序性，這種無序性導(dǎo)致了電阻對溫度的變化不敏感。在近室溫區(qū)，非晶合金皮膚呈現(xiàn)出極低的電阻溫度系數(shù)(9.04×10-6 K-1)，比傳統(tǒng)金屬低2—3 個數(shù)量級，與石墨烯和碳納米管相比，也有很大優(yōu)勢(圖3)。低的電阻溫度系數(shù)有利于消除熱漂移，使電子皮膚工作的溫度范圍更大，同時也有利于和溫度傳感器集成，開發(fā)多功能電子皮膚。 圖3 (a)非晶合金皮膚靈敏度系數(shù)隨暴露在空氣中時間的變化；(b)電阻溫度系數(shù)；(c)靈敏度系數(shù)隨沉積速率和膜厚的變化；(d)與其他材料電子皮膚相比，非晶合金皮膚有很好的熱穩(wěn)定性 對大腸桿菌進(jìn)行的抗菌性測試表明，非晶合金皮膚還具有一定的抗菌性，可用于做醫(yī)療設(shè)備。非晶合金具有的高強度、耐摩擦、耐腐蝕性等特點可以為機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供足夠保護。此外，非晶合金皮膚能耗低(10-7 W)、成本低廉、工藝簡單，滿足電子皮膚實際應(yīng)用的必要條件。 相關(guān)研究成果最近在Applied Physics Letters上發(fā)表。通過將非晶合金優(yōu)良的力、熱、電學(xué)性質(zhì)結(jié)合在一起，我們的工作有望推動電子皮膚的早日實際應(yīng)用，同時也為非晶合金材料的應(yīng)用開辟新的途徑。
本文選自《物理》2018年第1期
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