电子皮肤:物理学家开发多感官混合材料

皮肤是人体最大的感觉器官，同时也是人体的保护层。它同时“感受”几种感官输入，并向大脑报告有关湿度、温度和压力的信息。对于Anna Maria Coclite来说，具有这种多感官特性的材料是“智能人工材料技术中的一种‘圣杯’”。特别是，机器人和智能假肢将受益于一个更好的集成，更精确的传感系统，类似于人类皮肤。”格拉茨工业大学固态物理研究所的ERC资助获得者和研究员已经成功地开发了三合一的混合材料“智能皮肤”，用于下一代人工电子皮肤，使用一种新的工艺。这项开创性研究的结果已发表在杂志上先进材料技术．

像指尖一样细腻的

近六年来，该团队一直致力于智能皮肤的开发，作为Coclite的ERC项目smart Core的一部分。这种混合材料每平方毫米有2000个单独的传感器，甚至比人的指尖还要敏感。每一个传感器都由一种独特的材料组合组成:内部是水凝胶形式的智能聚合物，外壳是压电氧化锌。Coclite解释说:“水凝胶可以吸收水分，因此随着湿度和温度的变化而膨胀。在此过程中，它对压电氧化锌施加压力，后者以电信号响应这种压力和所有其他机械应力。”结果是一种极薄的材料，可以同时对力、湿度和温度做出反应，具有极高的空间分辨率，并发出相应的电子信号。“第一批人造皮肤样本只有6微米薄，即0.006毫米。但它可能更薄，”安娜·玛丽亚·科克莱特说。相比之下，人类的表皮只有0.03到2毫米厚。人类的皮肤能感知大约一平方毫米大小的东西。 The smart skin has a resolution that is a thousand times smaller and can register objects that are too small for human skin (such as microorganisms).

纳米级的材料加工

单个传感器层非常薄，同时配备了覆盖整个表面的传感器元件。这是一种世界范围内独一无二的工艺，研究人员首次将物理化学中的三种已知方法结合在一起:水凝胶材料的化学气相沉积，氧化锌的原子层沉积和聚合物模板的纳米印刷光刻。聚合物模板的光刻制备由Barbara Stadlober领导的“混合电子和结构”研究小组负责。该小组是位于德国维茨的Joanneum材料研究所的一部分。

目前，这种类似皮肤的混合材料在多个领域得到了应用。例如，在医疗保健领域，传感器材料可以独立检测微生物并相应地报告它们。同样可以想象的是，可以给佩戴者提供温度或湿度信息的假肢，或者可以更敏感地感知环境的机器人。在应用的道路上，智能皮肤具有决定性的优势:感知纳米棒——材料的“智能核心”——是使用基于蒸汽的制造工艺生产的。例如，这个过程已经在集成电路的生产工厂中得到了很好的应用。因此，智能皮肤的生产可以很容易地扩大规模，并在现有的生产线上实施。

智能皮肤的性能正在进一步优化。安娜·玛丽亚·科克莱特和她的团队——尤其是博士生塔赫尔·阿布·阿里——想要扩大材料反应的温度范围，提高人造皮肤的柔韧性。