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人類每天都會通過皮膚與世界互動，我們可以通過皮膚感知外力、形變、氣流等諸多物理刺激。柔性觸覺傳感器可以通過將這些物理刺激轉換為電信號來模擬人類皮膚對外界的感知。例如，柔性觸覺傳感器可以為觸覺受損的患者提供物體的觸覺反饋，幫助他們感知物體屬性、運動以及相對位置等信息。近年來，對柔性觸覺傳感器的研究不僅集中在提高材料本身的性能，越來越多的研究人員開始通過設計新穎的結構或複合多功能材料來提高傳感器的性能。在各類柔性觸覺傳感器中，基於導電纖維製備的柔性觸覺傳感器脫穎而出，這是由於纖維基柔性傳感器作為可穿戴設備具有靈活、透氣、重量輕等優勢。PEDOT: PSS在室溫下具有高電導率，且能通過濕法紡絲技術製備連續纖維，但傳統PEDOT: PSS導電纖維存在需要摻雜提高電導率、靈敏度低等問題，這極大地阻礙了PEDOT: PSS導電纖維作為新一代柔性電子器件電極的發展。
受人類皮膚結構的啟發，揚州大學高強副教授團隊在前期研究基礎(Surface engineering via self-assembly on PEDOT: PSS fibers: Biomimetic fluff-like morphology and sensing application, Chem. Eng. J. 425 (2021) 131551)上發展了一種獨特且簡單的策略來製備具有三層核殼結構的Ag/AgCl/PEDOT: PSS導電複合纖維(圖1)。即通過特殊的銀鏡反應(羥基脲作還原劑)調控PEDOT: PSS纖維表面有序生成氯化銀銜接過渡層與銀納米粒子層，金屬銀與PEDOT: PSS的結合賦予複合纖維超高的電導率(5.2×104S·cm-1)以及卓越的靈敏度(5.12 kPa-1)。值得一提的是，複合纖維的表面並非光滑的銀層，而是由銀納米粒子密集堆疊而成的納米層，同時銀納米粒子間有聚合物銜接錨固，形成了穩定的海島結構(圖2、圖3)。
更有趣的是，得益於三層核殼結構，複合纖維在不同壓力下表現出完全不同的雙向電阻響應特性(圖4、圖5)。即受到小壓力(<18000 Pa)時纖維電阻上升，當受到大壓力(>18000 Pa)時纖維電阻下降，這一特點可增加觸覺傳感器信號的豐富度。同時，溫度(光照)也是可以引起纖維電阻變化的因素(圖6)。基於以上特點，複合纖維可以作為可穿戴纖維基觸覺傳感器，他們通過抓舉物體和物體重力傳感等探索了其潛在應用。
綜上所述，這項工作採用了獨特的紡絲工藝來製備具有類皮膚三層核殼結構的Ag/AgCl/PEDOT: PSS複合纖維，所得的複合纖維具有高電導率、高靈敏度、低阻抗、低檢測限、響應時間快等特點。雙向電阻響應特性極大地增加了複合纖維響應信號的豐富度，使其有望用於仿生手臂、人機交互等新一代柔性電子產品。
相關成果以「Three-layer core-shell Ag/AgCl/PEDOT: PSS composite fibers viaa one-step single-nozzle technique enabled skin-inspired tactile sensors」為題發表在《Chemical Engineering Journal》（IF=13.273）。揚州大學化學化工學院碩士研究生王宇航為論文的第一作者，通訊作者為揚州大學化學化工學院高強副教授。該研究得到了國家自然科學基金的資助。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136270
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