用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚

近年來,快速發展的多功能電子皮膚因在柔性襯底上集成多種傳感器件受到瞭大傢的廣泛關註。在所有的傳感功能中,運動作為人機交互最簡單有效的方式,因此運動感知是人工智能最重要的功能之一。目前大多數運動感知研究都是基於獨立的壓力傳感單元,然後再將其集成到數字陣列中。但是在這樣的設計中為瞭提高感知分辨率,通常需要較多的傳感單元,導致電極數量會急劇增多且需要持續的能源供應。如何解決這類器件的能源供應與電極數量是多功能電子皮膚推向實際應用的一個關鍵。

用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚

【研究成果】

最近,北京大學信科學院張海霞教授課題組利用柔性襯底上的噴塗工藝以及靜電紡絲工藝,通過結構設計減少傳感電極並巧妙集成壓力器件,發明瞭一種自供能智能防偽簽名電子皮膚系統。相關成果以“Self-Powered Multifunctional Electronic Skin forSmart Anti-Counterfeiting Signature System”為題發表於《ACS AppliedMaterials & Interfaces》期刊上。其中,博士研究生郭行為論文第一作者,韓夢迪和張海霞教授為共同通訊作者。該項工作通過使用銀納米線(AgNWs)噴塗工藝和電紡絲工藝在柔性襯底上獲得瞭圖案化電極和高質量的壓電納米纖維膜。該自供能電子皮膚主要由兩個部分組成(摩擦納米發電機(TENG)和壓電納米發電機(PENG))。當運動物體在器件表面上移動時,可以在無需外界供能的情況下利用摩擦電信號和壓電信號同時獲取運動信息(例如軌跡、速度、壓力等)。通過這種方式,該自供能多功能電子皮膚可以實現智能防偽系統,並在100毫秒的誤差范圍內準確識別人們的書寫習慣,因此在人機交互和智能識別方面具有廣闊的應用前景。

多功能電子皮膚的結構和制造過程

用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚
圖一:(a)TENG傳感器部分示意圖。(b)倒金字塔微結構PDMS薄膜和SEM圖像。(c)噴塗工藝在PDMS襯底上制備AgNWs透明電極的方法。(d)PENG傳感器部分的示意圖。(e)高壓靜電紡絲工藝制備PVDF-TrFE納米纖維薄膜和SEM圖像。

電子皮膚的工作原理圖

用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚
圖二:(a)基於摩擦納米發電機原理的軌跡檢測。(b)在器件表面書寫字母“P”並記錄相應的摩擦電信號。

用於實時檢測壓力的PENG部分

用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚
圖三:(a)基於壓電薄膜的壓力感應原理。(b-c)PENG的電壓和電流輸出。(d)PENG輸出與施加壓力的線性擬合。(e)具有正向和反向連接的PENG輸出。(f-h)智能識別書寫字母“ P”的實時壓力。

智能防偽簽名系統

用於智能防偽簽名的自供能多功能電子皮膚
圖四:(a)智能防偽簽名系統作為人機交互界面,可識別人們的書寫習慣以實現安全性和智能防偽。(b-d)不同人書寫同一個字母時的書寫習慣(軌跡、速度、書寫間隔等)

參考文獻

Guo, Hang, et al.”Self-Powered Multifunctional Electronic Skin for SmartAnti-Counterfeiting Signature System.” ACS Applied Materials &Interfaces (2020).

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c03510

【相關鏈接】

張海霞教授課題組長期從事於自供電微系統、主動式電子皮膚、微能量采集等領域的研究,相關成果包括:

非接觸式自供能位移傳感

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519300291

摩擦發電機的電源管理電路設計

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285517303518

敏感汗液監測系統

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0321-x

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