刘玮书课题组在电子皮肤的温觉仿生研究方面取得新进展

lastday

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授刘玮书课题组在电子皮肤的温觉仿生研究方面取得新进展，相关成果以“Wide-Temperature Range Thermoregulating E-Skin Design through a Hybrid Structure of Flexible Thermoelectric Devices and PCM Heat Sink”发表在由香港理工大学与Wiley合办的高水平综合性期刊Ecomat上。
         健康的人体拥有完整的分泌系统和产热机制，无论周围环境如何，都能使体温保持在37℃左右。而传统的电子皮肤，由于材料和结构的限制，无法像人体一样在不同环境中保持恒定的温度，而是与变温动物相似，其温度是被动地与环境温度相关。缺乏温度调节功能的电子皮肤，不仅会给使用者带来危险，还可能引发不良心理后果。例如，人体接触到附着在假肢表面的电子皮肤，人体皮肤与电子皮肤之间的温差会使人体感到不舒服，从而削弱义肢使用者对假肢的接受程度。而具备温度调节功能的电子皮肤可以改变假肢或机器人的温度属性，在高温环境中进行冷却，低温环境中进行加热，从而可以像人体一样在不同环境下将表面维持恒定的温度，这可以显著提升假肢用户的舒适度和机器人的智能程度。

图1 电子皮肤的温度适应

         该研究开发了一种基于柔性热电器件和相变材料的温度调节电子皮肤，它可以在复杂的温度环境中提供可控的温度适应能力，并可用于调节假肢表面的温度，从而提高使用者的体验。由岛-桥结构组成的柔性热电器件具有较好的弯曲能力，可以贴合在假肢表面作为温度源，调节电子皮肤表面的温度。而相变材料填充在高导热的导热胶泡沫中可为热电器件产生的热量提供存储池。这种温度调节电子皮肤具有与人体相似的卓越的温度适应性，可在低温环境中加热，高温环境中制冷，在风速为0.5 m/s、风温为10°C时，电子皮肤的单位功率消耗为8.53 mW·cm−2·°C−1;在风速为0.5 m/s、风温为45°C时，电子皮肤的单位功率消耗为7.3 mW·cm−2·C−1。该电子皮肤还模拟了人类皮肤的恒温功能，在10-45°C的宽环境温度范围内可将表面温度保持在35°C的舒适区域。当环境温度低于35°C时，电子皮肤可将表面温度保持在目标温度2 h。而当环境温度高于35°C时，电子皮肤的恒温时间受限，但电子皮肤仍能在40°C风温条件下将表面温度维持在35℃近1.5 h。同时，电子皮肤的能量消耗趋势与人体调节体温所需的能量趋势基本相同，在热中性区最低，仅为14.22 mW·cm−2。研究人员还对温度调节电子皮肤进行了模拟室温和高温环境中快速移动的测试，电子皮肤可在22°C和42°C的环境变化中，快速并且平稳地将表面温度维持在35°C。

图2电子皮肤在循环低温和高温环境测试中保持灵活的温度调节

       该电子皮肤具有有效的温度调节能力，为未来智能假肢温度模拟提供了一种新的思路，这对提高截肢者的生活质量和进一步开展机器人仿生研究具有重要意义。
       刘玮书课题组2020级南科大-港理工博士生张澎祥为论文第一作者，刘玮书为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。刘玮书课题组的邓彪、朱康、周清、张双猛、孙文婷等，以及香港理工大学教授郑子剑也对研究作出了重要贡献。
        以上研究得到了广创团队项目、深圳市科技计划项目、香港理工大学和研究资助局高级研究员计划项目的支持。


        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.12253


         文章来源：南方科技大学
        刘玮书主要从事热电材料与器件研究，目前已经在Proc. Natl. Acad. Sci USA、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表学术论文90余篇，论文总引用超过6000次，H指数38；已申请专利28项，获得授权中国专利16项、美国专利3项、国际专利1项，参与了两部英文专著中5个章节的编写；应邀在美国TMS、国际陶瓷年会CICC、中国热电大会等重要学术会议作特邀报告；获首届腾讯“科学探索奖”，深圳市孔雀计划人才（B类）； 任中国材料研究学会下属热电材料及应用分会理事，英国物理学会IoP旗下杂志Nanotechnology咨询委员会成员。