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同濟(jì)大學(xué)閆冰教授團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：HOF基發(fā)光皮膚傳感器具有三重力致變色響應(yīng)，用于人體生物物理信號(hào)的識(shí)別與收集
2023-02-28  來源：高分子科技

  力致變色是一種改變光信號(hào)的能力，如發(fā)光顏色和強(qiáng)度、透明度、吸光顏色以響應(yīng)外部機(jī)械刺激。目前，具有發(fā)光力致變色響應(yīng)的柔性材料很少被報(bào)道，而同時(shí)具有拉伸、彎曲和壓縮三種力致變色響應(yīng)的力敏傳感器件還沒有報(bào)道過，因此，其也成為了力致變色領(lǐng)域的重大研究挑戰(zhàn)之一。


圖1. (a) 皮膚傳感器通過生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換生物電或光信號(hào)的示意圖，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)。(b) 藍(lán)環(huán)章魚（頭足類）通過收縮或擴(kuò)張色素細(xì)胞來改變皮膚顏色。(c)拉伸、彎曲和壓縮三種力致變色過程。


  近期，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院閆冰教授團(tuán)隊(duì)合成了一例離子型氫鍵有機(jī)框架(HOF-TJ-1)藍(lán)光材料，并通過陽離子交換的方法合成了具有紅，黃，綠三種發(fā)光顏色的Dye@HOF材料。受藍(lán)環(huán)章魚的皮膚變色行為啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)提出了一種發(fā)光力敏仿生皮膚傳感器的概念，即使用PDMS材料合成了四種HOF基具有三重力致變色響應(yīng)的皮膚傳感器（1?4）。在拉伸過程中，1?3的發(fā)光顏色從最初的藍(lán)色變?yōu)榧t色、黃色、綠色，4表現(xiàn)出增強(qiáng)的藍(lán)色發(fā)射。在0?40%的壓縮應(yīng)變下，1?4的藍(lán)色發(fā)射增強(qiáng)。該傳感器上層具有多孔結(jié)構(gòu)，在拉伸，彎曲和壓縮的過程中，1?4表現(xiàn)出了超低的檢測(cè)限和極好的可重復(fù)性。通過有限元仿真模擬計(jì)算，三種力致變色響應(yīng)（拉伸，彎曲和壓縮）的機(jī)理得到了合理的解釋。進(jìn)一步，基于1的發(fā)光力致變色響應(yīng)，還實(shí)現(xiàn)了三種智能應(yīng)用，即，手指運(yùn)動(dòng)傳感、手勢(shì)識(shí)別和觸覺增強(qiáng)的手掌信息收集。該工作以“Bioinspired HOF-based luminescent skin sensor with triple mechanochromism responses for recognition and collection of human biophysical signals”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。文章第一作者是同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的在讀博士生徐鑫。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。 


圖2. 拉伸力致變色過程和機(jī)理 


圖3. 彎曲力致變色過程和機(jī)理
 

圖4. 壓縮力致變色過程和機(jī)理
 

圖5. 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用

  這項(xiàng)工作為制備基于HOFs的全色彩發(fā)光力敏皮膚傳感器提供了簡(jiǎn)便的合成方法，極大地?cái)U(kuò)展了發(fā)光力致變色響應(yīng)的類型，豐富了發(fā)光力敏仿生皮膚傳感器的應(yīng)用。


  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00096f

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