人機(jī)交互用紡織基離子皮膚的制備及性能研究

摘要： 為了解決離子凝膠型離子皮膚應(yīng)用場(chǎng)景受限的問(wèn)題，本文提出了以柔軟舒適的紡織結(jié)構(gòu)為基體的離子凝膠型離子皮膚的研究策略。采用模板法在水性聚氨酯共混離子液體的離子凝膠表面制造了密集且不規(guī)則的突出結(jié)構(gòu)，與針織電極組成三明治結(jié)構(gòu)的離子皮膚，并對(duì)其物理性能和傳感性能進(jìn)行研究。測(cè)試結(jié)果表明，該紡織基離子皮膚在低壓范圍（0～20 kPa）有更高的靈敏度（約8.39 kPa^-1），滯后性低（DH=2.2%），在超過(guò)5 000次循環(huán)壓縮測(cè)試后仍能保持電容信號(hào)變化的穩(wěn)定，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力。紡織基離子皮膚實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體動(dòng)態(tài)信號(hào)穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 柔性電子;微結(jié)構(gòu);水性聚氨酯;離子液體;離子凝膠;電容式傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)： TS101.4; TM242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 10017003（2024）12期數(shù)0096起始頁(yè)碼08篇頁(yè)數(shù)

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2024.12期數(shù).010（篇序）

隨著人們對(duì)人機(jī)交互和健康監(jiān)測(cè)的興趣日益增強(qiáng)，柔性電子領(lǐng)域的發(fā)展也隨之加速^［1］。其中，柔性電子皮膚作為柔性電子器件的重要組成部分成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)剛性導(dǎo)電材料構(gòu)建的電子皮膚難以滿(mǎn)足高形變中的傳感穩(wěn)定性，存在生物相容性差和不透明等缺點(diǎn)^［2-3］。因此，開(kāi)發(fā)出適合穿戴的柔性電子皮膚顯得尤為重要。

受人體皮膚離子傳導(dǎo)功能的啟發(fā)，基于可拉伸離子導(dǎo)體的離子皮膚，其電信號(hào)傳遞原理也與人體皮膚類(lèi)似^［4］，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于柔性可穿戴領(lǐng)域，包括機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互。離子皮膚包括有機(jī)凝膠、導(dǎo)電水凝膠和離子凝膠。有機(jī)凝膠的導(dǎo)電性較低，生物相容性差，難以應(yīng)用到與人體相關(guān)的可穿戴領(lǐng)域。常見(jiàn)的基于導(dǎo)電水凝膠類(lèi)型的電子皮膚容易受環(huán)境中濕度和溫度的影響，導(dǎo)致其機(jī)械性能和電信號(hào)穩(wěn)定性降低^［5］，嚴(yán)重影響了傳感性能，限制了傳感器的應(yīng)用。離子液體是綠色電解質(zhì)，具有突出的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、離子穩(wěn)定性、電導(dǎo)率和界面電容^［6］。因此，由離子液體和聚合物組成的離子凝膠克服了離子水凝膠易失水的問(wèn)題，并且作為電容式壓力傳感的材料，已被開(kāi)發(fā)出來(lái)并用于構(gòu)建高靈敏度和耐用性的離子皮膚^［7-10］，具有出色的環(huán)境穩(wěn)定性和耐久性。然而，制備離子凝膠的聚合物大多使用了有機(jī)溶劑，不符合綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。水性聚氨酯是水性基材聚合物，以水為溶劑，避免了有機(jī)溶劑的使用，比傳統(tǒng)溶劑型聚合物更環(huán)保，與離子液體組成離子凝膠可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械性能和彈性的調(diào)控，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。為了增強(qiáng)離子凝膠的傳感性能，在離子凝膠表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種有效的策略。這些微結(jié)構(gòu)包括各種各樣的形貌結(jié)構(gòu)，如微金字塔陣列^［11］、皺紋^［12］、微柱陣列^［13］。然而這些結(jié)構(gòu)在壓縮時(shí)僅在低壓下有響應(yīng)，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。因此，開(kāi)發(fā)出適合多場(chǎng)景使用的離子凝膠Ican4u/gJ5G+x2jl2qxwuA==型電子皮膚成了重要的研究方向。

基于此，本文研究合成了具有良好生物相容性的水性聚氨酯作為彈性體，選用離子液體作為導(dǎo)電材料，利用模板法制作具有不同高度、不規(guī)則的突出微結(jié)構(gòu)，探索一種綠色、簡(jiǎn)單的方法構(gòu)筑基于微結(jié)構(gòu)的離子凝膠。在紡織品中，針織物因其獨(dú)特的環(huán)形結(jié)構(gòu)而具有很好的彈性和伸縮性，柔軟透氣適合直接接觸皮膚穿著，在柔性穿戴領(lǐng)域可以更好地適應(yīng)不同體型，提供舒適的穿著體驗(yàn)。因此，將離子凝膠與針織電極組成三明治結(jié)構(gòu)的紡織基離子皮膚，對(duì)其進(jìn)行形貌與成分的表征，并詳細(xì)研究其傳感性能，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的人機(jī)交互應(yīng)用，展示了其在人機(jī)交互領(lǐng)域的巨大潛力。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：聚四氫呋喃（PTMG）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）、二月桂酸二丁基錫（DBTDL）、2，2-二羥甲基丙酸（DMPA）、1，4-丁二醇（BDO）、三乙胺（TEA）、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺鹽（［EMIM］［DCA］）（中國(guó)上海麥克林生化有限公司），聚二甲基硅氧烷（PDMS）（陶氏化學(xué)（上海）有限公司），橫密70縱行/5 cm，縱密60橫列/5 cm，平方米質(zhì)量290 g/m2針織電極（泉州碧海藍(lán)天紡織服飾有限公司），砂紙（東莞市鑫華研砂帶有限公司）。

儀器：YP-B電子天平（上海力辰儀器科技有限公司），ZNCL-DG恒溫磁力攪拌器（鄭州博華儀器設(shè)備有限公司），

DF-101S磁力加熱攪拌器（青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司），101-2AB臥式干燥箱（菲斯福儀器有限公司）。

1.2 紡織基離子皮膚的制備

首先，將IPDI（質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%）和PTMG（質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%）加入三頸燒瓶中，加入適量的催化劑DBTDL，在80 ℃下攪拌3 h。保持溫度不變，向溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的DMPA和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.75%的BDO進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)，繼續(xù)攪拌2 h。隨后，將反應(yīng)溫度降至45 ℃，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.6%的TEA中和反應(yīng)15 min。保持溫度不變，加入去離子水在1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下高速攪拌乳化40 min。最后可獲得水性聚氨酯乳液，并將其保存在容器中。實(shí)驗(yàn)制備的是固含量35%的水性聚氨酯乳液。

砂紙型微結(jié)構(gòu)離子凝膠的制備由微結(jié)構(gòu)模板制備和水性聚氨酯離子導(dǎo)電膜制備兩步組成，如圖1所示。

微結(jié)構(gòu)模板的制作：用砂紙制作微結(jié)構(gòu)模板，將混合均勻且未固化的PDMS（PDMS和固化劑按質(zhì)量比10︰1混合）涂覆在砂紙上，并在25 ℃、相對(duì)濕度55%的環(huán)境下放置3 h，以確保PDMS與砂紙充分接觸并滲透到表面。然后，在60 ℃下固化3 h。最后，將固化的PDMS從砂紙上剝離，獲得帶有微結(jié)構(gòu)的PDMS模板。

水性聚氨酯離子導(dǎo)電膜的制備：在25 ℃、相對(duì)濕度55%的環(huán)境下將水性聚氨酯與［EMIM］［DCA］溶液在燒杯中以質(zhì)量比4︰1混合攪拌，得到WPU-IL混合溶液。然后，將制備好的WPU-IL溶液均勻地鋪在裝有微結(jié)構(gòu)模板的聚四氟乙烯模具上，在60 ℃下干燥5 h，獲得透明離子凝膠。其中，將無(wú)微結(jié)構(gòu)的離子凝膠命名為WPU-IL，不同目數(shù)的砂紙制備的離子

凝膠（150#、10000#）分別命名為WPU-IL-150#、WPU-IL-10000#。

紡織基離子皮膚的組成如圖2所示。其中圖2（a）為表面帶有微結(jié)構(gòu)的離子凝膠，針織電極作為紡織基離子皮膚的電極層（圖2（b）），組成的三明治結(jié)構(gòu)離子皮膚如圖2（c）所示。組裝時(shí)要注意離子凝膠的面積要略大于針織電極的面積，確保上下兩層針織電極被離子凝膠隔開(kāi)無(wú)接觸，最后用PI膠帶進(jìn)行封裝。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 形貌觀(guān)察

通過(guò)Sigma500場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)離子凝膠的形貌和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察。采用離子濺射儀對(duì)待測(cè)試樣噴金

2 min，測(cè)試電壓為5 kV。通過(guò)Nicolet is50傅里葉紅外光譜儀（FTIR）表征WPU、IL和WPU-IL的化學(xué)結(jié)構(gòu)，選擇的測(cè)試波長(zhǎng)范圍為4 000 cm^-1～500 cm^-1，掃描次數(shù)16次，分辨率4 cm^-1。

1.3.2 傳感性能測(cè)試

本文采用ECA200A LCR Meter連接針織電極，設(shè)置激勵(lì)電壓值為1 V，測(cè)試頻率值為30 kHz。待電容信號(hào)穩(wěn)定后，用ZQ-990B萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)紡織基離子皮膚進(jìn)行以下性能測(cè)試。

電容變化率：靈敏度是評(píng)價(jià)傳感器性能的重要指標(biāo)。在50 mm/min的加載速度下進(jìn)行0～200 kPa的電容變化測(cè)試，得到離子皮膚在0～200 kPa應(yīng)力變化過(guò)程中的電容變化情況。

S=ΔC/C0ΔP（1）

式中：S為傳感器靈敏度，ΔC和C0分別代表器件的電容變化和初始電容，ΔP表示施加壓力的變化。

遲滯性：在50 mm/min的速度下進(jìn)行0～200 kPa的加載—卸載循環(huán)測(cè)試，得到離子皮膚的滯后性能。

響應(yīng)回復(fù)：以200 mm/min的速度施加5 kPa的應(yīng)力并保持2 s，隨后以200 mm/min的速度撤去應(yīng)力得到該離子皮膚的響應(yīng)時(shí)間和回復(fù)時(shí)間。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)：以50 mm/min的速度施加不同的動(dòng)態(tài)壓力，得到離子皮膚對(duì)不同動(dòng)態(tài)壓力的電容變化情況。

不同頻率循環(huán)響應(yīng)：分別以50、40、30、20 mm/min的速度在不同頻率下測(cè)試了離子皮膚在1 kPa下的響應(yīng)，得到離子皮膚對(duì)不同工作頻率的電容變化情況。

耐久性：以50 mm/min的速度在3 kPa下進(jìn)行5 000次壓力循環(huán)，得到離子皮膚的電容變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 表面形貌

三種不同表面結(jié)構(gòu)的離子凝膠分別通過(guò)不同處理方法獲得，如圖3所示。其中，圖3（a）展示了使用平滑模具制得的離子凝膠表面，表面極其平滑，無(wú)可觀(guān)測(cè)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征。而圖3（b）所示樣品采用150#砂紙?zhí)幚?，形成了不?guī)則大小的凸起，其不均一性源于砂紙本身每英寸包含的150個(gè)不規(guī)則凸起。圖3（c）展示了使用10000#砂紙?zhí)幚砗蟮玫降碾x子凝膠，在電子顯微鏡下呈現(xiàn)更加細(xì)致和密集的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。這些觀(guān)察結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整砂紙的粗細(xì)等級(jí)，可以有效地控制離子凝膠表面的微結(jié)構(gòu)尺度和密度，進(jìn)而調(diào)控其傳感性能。

2.1.2 結(jié)構(gòu)組成

在WPU、IL、WPU-IL的紅外光譜上（圖4），1 698 cm^-1處的吸收峰表示W(wǎng)PU中CO的振動(dòng)吸收，2 124 cm^-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于陰離子［DCA］-的伸縮振動(dòng)。這些峰同時(shí)出現(xiàn)在WPU-IL的紅外吸收光譜中，表明WPU和IL成功混合。

2.2 傳感性能分析

2.2.1 傳感原理

圖5展示了離子皮膚的傳感特性，離子介電層富含可自由

移動(dòng)的陽(yáng)離子與陰離子，與電極接觸時(shí)，在交界處形成了一層雙電層（EDL）。EDL的電容可以隨接觸面積S的變化而變化，當(dāng)施加壓力時(shí)，介電層和電極接觸面積增大，單位面積的電容增大，電容變化率提升?；诖?，在離子凝膠表面引入微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加了接觸面積，從而提升了單位面積電容值。這一改進(jìn)顯著提高了傳感器的靈敏度，并拓寬了其傳感范圍。

2.2.2 電容變化率

圖6展示了不同表面結(jié)構(gòu)離子凝膠在0～200 kPa壓力范圍的電容變化率。通過(guò)對(duì)比分析，微結(jié)構(gòu)引入可顯著提升傳感器傳感性能，其中以WPU-IL-10000#傳感性能最優(yōu)，得益于離子凝膠表面密集不規(guī)則微結(jié)構(gòu)在增大介電層與電極接觸面積方面的作用。WPU-IL-10000#相比WPU-IL-150#，微結(jié)構(gòu)尺寸更小、更密集，可顯著提升壓縮過(guò)程中的接觸面積。

圖7是WPU-IL-10000#的相對(duì)電容變化。由圖7可以看出，在0～200 kPa的壓力范圍有兩個(gè)線(xiàn)性階段，離子凝膠在低于20 kPa的低壓范圍表現(xiàn)出8.39 kPa^-1的高靈敏度，在高于20～200 kPa的寬壓力范圍表現(xiàn)出1.15 kPa^-1的靈敏度。由于砂紙微結(jié)構(gòu)在尺寸、形狀的不均一性，導(dǎo)致離子凝膠傳感器表面微結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)有著不規(guī)則形狀和大小的凸起。這些不規(guī)則凸起在承受壓力時(shí)，能夠逐漸按照高度順序與電極接觸，從而有效延長(zhǎng)了離子凝膠的壓力形變響應(yīng)時(shí)間。WPU-IL-10000#相比其他離子凝膠，表面具有更多高度不一的凸起，極大地提高了離子凝膠的可壓縮性，進(jìn)一步擴(kuò)展了傳感器的傳感范圍。本文現(xiàn)有研究和最近報(bào)道的電容式傳感器之間的比較如圖8所示^［14-15］。由圖8可以看出，本文研究的傳感器靈敏度在更寬的壓力范圍內(nèi)有出色的表現(xiàn)，進(jìn)一步證明了本文研究的傳感器能夠在更寬的傳感范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。這種寬傳感范圍對(duì)離子皮膚的在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用至關(guān)重要，能夠提供更可靠和多樣化的傳感反饋。因此，基于上述電容變化率性能對(duì)比測(cè)試的結(jié)果，本文選用性能更為出色的WPU-IL-10000#進(jìn)行后續(xù)的傳感性能測(cè)試。

2.2.3 遲滯性

在加載—卸載循環(huán)測(cè)試中，遲滯性是評(píng)估其性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

DH=ΔAA0（2）

式中：DH為滯后性，A0為加載壓力曲線(xiàn)的面積，ΔA為加載壓力曲線(xiàn)與卸載壓力曲線(xiàn)的面積變化。

水性聚氨酯是由軟鏈段和硬鏈段組成的高分子聚合物，具有優(yōu)異彈性回復(fù)性能，這歸因于其軟鏈段與硬鏈段的獨(dú)特組合和協(xié)同作用。軟鏈段提供了柔性和可延展性，而硬鏈段通過(guò)微相分離和物理交聯(lián)提供了必要的回復(fù)力。這種結(jié)構(gòu)使得水性聚氨酯在經(jīng)歷拉伸或壓縮變形后，能夠迅速回復(fù)到原始形狀，保證了其在多次循環(huán)使用中的穩(wěn)定性和可靠性。由圖9可見(jiàn)，以水性聚氨酯為基體制備的離子皮膚在0～200 kPa的加載—卸載測(cè)試后，滯后性?xún)H為2.2%。這一結(jié)果不僅凸顯了離子皮膚在反復(fù)壓縮負(fù)載下保持性能穩(wěn)定的能力，而且也證明了其在長(zhǎng)期應(yīng)用中具備可靠的重復(fù)使用性能。

2.2.4 響應(yīng)回復(fù)

圖10為離子皮膚在加載—卸載循環(huán)過(guò)程中的響應(yīng)回復(fù)時(shí)間。由圖10可以看出，該離子凝膠響應(yīng)時(shí)間為0.52 s，回復(fù)時(shí)間為0.53 s，表明外力撤去后復(fù)合離子皮膚需要一定的回復(fù)時(shí)間。離子皮膚的紡織基結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)異的彈性和支撐，但同時(shí)也意味著在迅速改變形態(tài)以適應(yīng)外部力量時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整相比人類(lèi)皮膚的生物組織而言，可能更為緩慢，從而導(dǎo)致響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間上的微小延遲。

2.2.5 動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖11和圖12展示了離子皮膚在不同壓力和不同頻率刺激下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由圖11可以看出，離子皮膚能夠?qū)Ψ磸?fù)施加的壓力做出迅速且一致的反應(yīng)，顯示出其出色的傳感可靠性。此外，施加的不同壓力與電容變化率呈正比關(guān)系，進(jìn)一步證明了離子皮膚在壓力檢測(cè)方面的高度精確性和線(xiàn)性表現(xiàn)。圖12則表現(xiàn)了離子皮膚在不同頻率下穩(wěn)定的響應(yīng)能力，主要得益于離子凝膠的快速離子遷移特性。在高頻條件下，離子凝膠中的離子能夠迅速遷移響應(yīng)壓力變化;而在低頻條件下，電容變化則更多依賴(lài)于傳感器三明治結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)。因此，在各種動(dòng)態(tài)條件下（如運(yùn)動(dòng)時(shí)的快速壓力變化）離子皮膚均可以保持高靈敏度和快速響應(yīng)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在靜態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中（如睡眠監(jiān)測(cè)），離子皮膚在低頻條件下可以保持穩(wěn)定的信號(hào)輸出，確保長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的可靠性。

2.2.6 耐久性

長(zhǎng)期使用且傳感響應(yīng)不受影響是離子皮膚實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證離子皮膚的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐用性，在3 kPa下進(jìn)行了5 000次加載—卸載循環(huán)測(cè)試，如圖13所示。5 000次循環(huán)后電容變化幅度沒(méi)有明顯下降，表明離子皮膚具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐用性。循環(huán)測(cè)試中觀(guān)察到的曲線(xiàn)峰值波動(dòng)，可以解釋為離子皮膚在較低壓力條件下對(duì)力的高度靈敏性。這種靈敏性導(dǎo)致即使是非常微小的力量變化也

能引起電容的相應(yīng)變化，從而在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生輕微的響應(yīng)差異。離子皮膚展現(xiàn)出的這種長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性，很大程度上歸因于其內(nèi)部材料的化學(xué)和物理特性。水性聚氨酯基體結(jié)合的軟硬鏈段提供了既有彈性又具備強(qiáng)度的獨(dú)特平衡，使得材料即便在反復(fù)壓縮下也不易發(fā)生性能衰減。

2.3 離子皮膚在人機(jī)交互中的應(yīng)用

基于紡織基離子皮膚的優(yōu)異特性，它在人機(jī)交互領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。由圖14可見(jiàn)，不同手勢(shì)都能產(chǎn)生快速穩(wěn)定的信號(hào)響應(yīng)，這為實(shí)現(xiàn)可靠的人機(jī)交互提供了可能性。由此，設(shè)計(jì)了一套完整的操作交互系統(tǒng)，由手套、數(shù)據(jù)采集模塊和藍(lán)牙模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能手機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。傳感器與手套相結(jié)合，在每個(gè)手指關(guān)節(jié)處安裝有傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手指彎曲的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)將手勢(shì)A、手勢(shì)B和手勢(shì)C的彎曲信號(hào)分別定義為智能手機(jī)常見(jiàn)的“返回”“主頁(yè)”和“多任務(wù)管理”鍵。手套負(fù)責(zé)收集手指彎曲信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。藍(lán)牙模塊將識(shí)別出的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為特定命令，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至智能手機(jī)。智能手機(jī)根據(jù)接收到的藍(lán)牙指令，執(zhí)行原本需點(diǎn)按特定按鍵才能完成的操作。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種制備簡(jiǎn)便、綠色的基于微結(jié)構(gòu)的離子凝膠，由合成的水性聚氨酯作為彈性體共混離子液體，并通過(guò)10000#的砂紙制作了離子凝膠表面密集且不規(guī)則的凸出結(jié)構(gòu)。與針織物電極組裝成的紡織基離子皮膚，具有高靈敏度（在低壓力范圍約8.39 kPa^-1）、滯后性低（DH=2.2%）及良好的循環(huán)耐久性（＞5 000次），可充分感知、記錄、分辨人體動(dòng)

作的壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具備多場(chǎng)景應(yīng)用的能力。此外，根據(jù)制備的離子皮膚的特性，設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的操作交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的人機(jī)交互操作，展現(xiàn)了其在人機(jī)交互領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?。盡管本文研究的紡織基離子皮膚在實(shí)驗(yàn)中展示了出色的性能，但在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)靈敏度和響應(yīng)時(shí)間的要求會(huì)更高。因此，進(jìn)一步提高靈敏度和降低響應(yīng)時(shí)間仍是未來(lái)的重要研究方向，采用新的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或材料改性或許是提高靈敏度和響應(yīng)時(shí)間的有效途徑。

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Research on the preparation and performance of fabric-based ionic skin for human-machine interaction

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

ZHAO Jisheng1， LIU Hong1， WANG Hang1， LIU Yucheng2， LIU Yangyang3， TIAN Mingwei1

（1.College of Textiles & Clothing， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2.Qingdao Etrip Smart Home Co.， Ltd.， Qingdao 266000，China; 3.Qingdao Inspection and Quarantine Technology Development Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China）

Abstract： As interest in human-machine interaction and health monitoring continues to rise， the field of flexible electronics has accelerated its development， with flexible electronic skin becoming a focal point of research. Traditional rigid conductive materials used to construct electronic skin often fail to provide stable sensing under high deformation， presenting issues such as low biocompatibility and opacity. These limitations necessitate the urgent development of wearable flexible electronic skin that can meet user needs effectively.

This study aims to address the problem of limited application scenarios for ionogel-based ionic skin by proposing a research strategy centered on the use of a soft and comfortable textile structure as the substrate for the ionogel. Inspired by the ion conduction function of human skin， we explored the potential of stretchable ionic conductors， which transmit electrical signals similarly to human skin. Recent years have witnessed the widespread application of ionic skin in flexible wearable technology， including robotics， medical monitoring， and human-machine interaction. The ionic skin can be categorized into several types， including organic gels， conductive hydrogels， and ionogels. However， organic gels often exhibit low conductivity and poor biocompatibility， making them unsuitable for wearable applications related to human interaction. Conductive hydrogels， on the other hand， are susceptible to environmental humidity and temperature changes， which adversely affect their mechanical properties and electrical signal stability. This variability severely impacts sensing performance and restricts the application of sensors in practical scenarios. In this context， ionic liquids represent a green electrolyte with outstanding thermal stability， chemical stability， ionic stability， conductivity， and interfacial capacitance. Ionogels composed of ionic liquids and polymers have been developed to overcome the water loss problem associated with ionic hydrogels. These gels serve as effective materials for capacitive pressure sensing， exhibiting high sensitivity and durability， along with excellent environmental stability. Despite these advantages， many polymers used to prepare ionic gels involve organic solvents， which conflict with sustainable development goals. To overcome this challenge， we selected waterborne polyurethane as an eco-friendly polymer matrix， utilizing water as the solvent to avoid the use of harmful organic solvents. This selection not only aligns with green chemistry principles but also enables structural design through the integration of ionic liquids， allowing us to modulate mechanical properties and elasticity to meet diverse application needs. An effective strategy to enhance the sensing performance of ionogels involves constructing microstructures on their surfaces， which can take various microstructures such as micro-pyramid arrays， wrinkles， and micro-column arrays. However， these microstructures typically respond only under low pressure， significantly limiting their potential applications. Therefore， the development of ionogel-based electronic skin suitable for multiple scenarios has become a crucial research direction. In this study， we synthesized waterborne polyurethane with excellent biocompatibility as an elastomer and selected ionic liquids as conductive materials. Using a template method， we created irregular protruding microstructures of varying heights on the ionogel’s surface， exploring a simple， green approach to constructing microstructured ionogels. Knitted textiles， characterized by their unique loop structure， exhibit remarkable elasticity and stretchability. Their soft and breathable nature makes them well-suited for direct contact with the skin， allowing for a comfortable wearing experience that can adapt to various body types. Consequently， the integration of ionogels with knitted electrodes into a sandwich structure of textile-based ionic skin was achieved. We characterized its morphology and composition in detail， followed by an extensive study of its sensing performance.

Testing revealed that the textile-based ionic skin maintained a high sensitivity of approximately 8.39 kPa^-1 within a low-pressure range （020 kPa）， with a low hysteresis of 2.2%. Importantly， even after more than 5 000 cycles of compressive testing， the capacitive signal variations remained stable， showcasing the ionic skin’s excellent dynamic monitoring capabilities. This development allows for stable and reliable monitoring of dynamic human signals， highlighting significant application potential in fields such as sports training and human-machine interaction.

Key words： flexible electronics; microstructure; waterborne polyurethane; ionic liquids; ionogels; capacitive sensors