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天津大学胡文平/王以轩团队特约专论:用于人机交互设备的本征可拉伸功能器件和高分子材料

已有 375 次阅读 2024-4-3 10:48 |系统分类:论文交流

文章重要内容      

       天津大学胡文平/王以轩团队近年来围绕本征可拉伸功能器件和高分子材料取得了一系列成果,得到了性能优异的可拉伸聚合物电极材料和可拉伸光电器件。本文从平衡材料电学(载流子传输需求)和力学(可拉伸需求)性能这一难点出发,根据可拉伸器件在人机交互中的应用功能,总结了供能、传感、神经接口和显示等功能模块材料/器件方面的创新性成果,分析了各功能器件及多功能集成面临的共性问题,并展望了智能人机交互系统的发展前景。

文章背景

当今时代,物联网、人工智能、生物医疗等飞速发展,人类对大脑和人工智能的认识不断深入,开发新型人机交互设备,充分发挥其在健康监测、重大疾病防治和拓展人类能力等方面的作用具有重要意义。为了实现对生理活动的实时、准确和连续的调控或检测,人机交互设备正逐渐从便携式发展到穿戴式或植入式,从环境不友好到可生物降解。在供能方式上需摆脱外部电源或笨重的电源线,在功能上要能够运用光、电、化学、热、磁等多模态信号手段。

       为使设备在动态生理活动下稳定运行,与生物界面能够保持良好的共形贴合,是人-机界面无缝集成的关键。理想的人机交互设备,需要耐受一定的形变。以皮肤式电子设备为例,应变水平需超过50%。此外,较高的器件密度、制造良率和性能均一性同样十分必要。基于硅基/金属材料的器件,通过机械工程的方法虽可实现柔性化,但其集成度难以提升,而且巨大的杨氏模量差异,会带来界面应力并诱发对生物组织的损伤。高分子光电材料具有更低的杨氏模量和更好的本征拉伸性,是人机交互设备的理想选择。然而,高分子导体/半导体的载流子传输需求(高规整度链段排列)与可拉伸需求(高链段自由度)在分子结构层面难以兼顾。因此,如何通过合理材料设计同时实现优异的力-电性能,进而发展本征可拉伸器件并在生物界面实现新功能,是人机交互领域发展的研究重点。

文章概述

        天津大学胡文平/王以轩团队根据可拉伸器件在人机交互中的应用功能,介绍了本征可拉伸功能器件的最新进展,包括有机太阳能电池(OSCs)、有机热电器件(oTEGs)、离子电池、纳米发电机(NGs)和超级电容器(SCs)、有机光电探测器(OPDs)、化学传感器和热传感器、多模态阵列电极(MEAs)和有机电化学晶体管(OECTs)、有机电化学发光器件(OLECs)、有机电致变色显示器(OECDs)和有机发光二极管(OLEDs)、有机场效应晶体管(OFETs)和多功能集成系统(如图1)等。分析表明,可拉伸高分子光电材料的光电性能进一步提升和各功能层间的动态稳定界面,是未来研究重点。

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供电器件、传感器件、神经接口、显示器件及其集成的人机界面系统

     针对可应用于人机交互设备的供能器件,重点介绍了本征可拉伸太阳能电池的发展。有机太阳能电池具有柔性、质轻、可大面积制备、能级易于调控等优点,为使其应用于人机交互集成系统,呼吁本征可拉伸太阳能电池的发展,而本征可拉伸有机太阳能电池目前尚面临电极、半导体难以同时实现优异的拉伸性能和机械稳定性等难点。针对于此,本征可拉伸有机太阳能电池的研究已经取得诸多进展(如图2),设计新型的分子结构、在活性层引入弹性体、对导电电极进行物理和化学改性以及对器件结构进行改进等策略均取得了突破性的效果,使其有很大的潜力作为供能器件应用于人机交互设备。

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几种最新的本征可拉伸太阳能电池的基本结构和材料

       针对可用于人机交互设备的传感器件,介绍了本征可拉伸的有机光电探测器、化学传感器件、热传感器件的进展。其中,胡文平/王以轩团队提出的基于PEDOE:PSS的超分子界面改性可拉伸阴极应用于有机光电探测器,得到的本征可拉伸近红外光电二极管具有优异力电性能。

       对本文可用于人机交互设备的神经接口,主要包括本征可拉伸多模态阵列电极和本征可拉伸电化学晶体管,进行了论述。其中,胡文平/王以轩团队与鲍哲南团队合作开发了一种基于PEDOT:PSS和聚轮烷拓扑超分子网络的分子工程策略,得到了具有创纪录的高导电性和拉伸性的柔软电极阵列,对变形组织(章鱼手臂)可进行稳定的电生理监测,并成功用于显微外科手术期间的连续术中神经生理学监测。导电水凝胶电极方面,胡文平/王以轩团队通过将共价交联网络和导电聚合物PEDOT:PSS的缠结驱动网络组合在一起,得到的三网络导电水凝胶具有高拉伸性(断裂应变高达900%)、低阻抗(91.2 Ω·cm2)和可逆附着力。

       接着,本文论述了可用于人机交互设备的显示器件的发展,包括本征可拉伸的有机电化学发光器件、有机电致变色器件、有机发光二极管等。其中,胡文平/王以轩团队针对应用于本征可拉伸电致变色器件的高拉伸性和高导电性薄膜电极,提出了一种基于互穿高极性网络之间相互作用的导电聚合物塑化策略;与鲍哲南团队合作实现了高亮度(7450 cd·m-2)、高拉伸性(耐受100%应变)的可拉伸全聚合物LED

       进一步,文章对于以上功能端的本征可拉伸器件的集成进行了论述。其中,鲍哲南团队实现了单片集成的全柔性软电子皮肤系统,将皮肤所有所需的电气和机械特性集成在一个单一的设备平台中,由于该系统无刚性电器元件,具有低驱动电压、高电路复杂度和仿生感官反馈功能,将有助于为新一代假肢皮肤、人机界面和神经机器人技术铺平道路。

       最后,本文对基于有机高分子光电材料的本征可拉伸功能器件及其集成所面临的材料、器件、集成层面的挑战和瓶颈进行分析,并展望其发展前景。包括可穿戴传感器技术、人造肌肉等在内的2023IUPAC化学领域十大新兴技术彰显了智能电子领域的蓬勃发展,相信通过对高分子光电材料、器件结构和系统架构的合理设计以及对集成系统的工程化提升,一定可以实现离网供电、持续传感、快速分析、实时显示和及时反馈的多功能一体化的智能人机交互设备,不断丰富和改善我们的日常生活。

     上述工作以专论形式即将在《高分子学报》2024年“柔性/可拉伸电子:聚合物材料及器件”专辑印刷出版,通讯作者是王以轩副教授胡文平教授

引用本文:

李松壕, 孙明源, 魏子翔, 王以轩, 胡文平.

用于人机交互设备的本征可拉伸功能器件和高分子材料.

高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24004 Li, S. H.; Sun, M. Y.; Wei, Z. X.; Wang, Y. X.; Hu, W. P.Intrinsically stretchable functional devices and polymer materials for human-machine interface.

 Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24004

原文链接:

http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2024.24004&lang=zh



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