北京大学张海霞团队最新成果：用于智能防伪签名的自供能多功能电子皮肤

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

【引言】

近年来，快速发展的多功能电子皮肤因在柔性衬底上集成多种传感器件受到了大家的广泛关注。在所有的传感功能中，运动作为人机交互最简单有效的方式，因此运动感知是人工智能最重要的功能之一。目前大多数运动感知研究都是基于独立的压力传感单元，然后再将其集成到数字阵列中。但是在这样的设计中为了提高感知分辨率，通常需要较多的传感单元，导致电极数量会急剧增多且需要持续的能源供应。如何解决这类器件的能源供应与电极数量是多功能电子皮肤推向实际应用的一个关键。

【研究成果】

最近，北京大学信科学院张海霞教授课题组利用柔性衬底上的喷涂工艺以及静电纺丝工艺，通过结构设计减少传感电极并巧妙集成压力器件，发明了一种自供能智能防伪签名电子皮肤系统。相关成果以“Self-Powered Multifunctional Electronic Skin forSmart Anti-Counterfeiting Signature System”为题发表于《ACS AppliedMaterials & Interfaces》期刊上。其中，博士研究生郭行为论文第一作者，韩梦迪和张海霞教授为共同通讯作者。该项工作通过使用银纳米线(AgNWs)喷涂工艺和电纺丝工艺在柔性衬底上获得了图案化电极和高质量的压电纳米纤维膜。该自供能电子皮肤主要由两个部分组成(摩擦纳米发电机(TENG)和压电纳米发电机(PENG))。当运动物体在器件表面上移动时，可以在无需外界供能的情况下利用摩擦电信号和压电信号同时获取运动信息(例如轨迹、速度、压力等)。通过这种方式，该自供能多功能电子皮肤可以实现智能防伪系统，并在100毫秒的误差范围内准确识别人们的书写习惯，因此在人机交互和智能识别方面具有广阔的应用前景。

多功能电子皮肤的结构和制造过程

图一：(a)TENG传感器部分示意图。(b)倒金字塔微结构PDMS薄膜和SEM图像。(c)喷涂工艺在PDMS衬底上制备AgNWs透明电极的方法。(d)PENG传感器部分的示意图。(e)高压静电纺丝工艺制备PVDF-TrFE纳米纤维薄膜和SEM图像。

电子皮肤的工作原理图

图二：(a)基于摩擦纳米发电机原理的轨迹检测。(b)在器件表面书写字母“P”并记录相应的摩擦电信号。

用于实时检测压力的PENG部分

图三：(a)基于压电薄膜的压力感应原理。(b-c)PENG的电压和电流输出。(d)PENG输出与施加压力的线性拟合。(e)具有正向和反向连接的PENG输出。(f-h)智能识别书写字母“ P”的实时压力。

智能防伪签名系统

图四：(a)智能防伪签名系统作为人机交互界面，可识别人们的书写习惯以实现安全性和智能防伪。(b-d)不同人书写同一个字母时的书写习惯(轨迹、速度、书写间隔等)

参考文献

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

全文链接：

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

【相关链接】

张海霞教授课题组长期从事于自供电微系统、主动式电子皮肤、微能量采集等领域的研究，相关成果包括：

非接触式自供能位移传感

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

摩擦发电机的电源管理电路设计

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

敏感汗液监测系统

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

作者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿