[发明专利]一种基于水凝胶的可变色电子皮肤及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于水凝胶的可变色电子皮肤，该电子皮肤由具有电极层‑信号敏感层‑电极层的三明治结构组合而成。本发明所述信号敏感层为具有压阻性能的可变色水凝胶，制备步骤如下：1)将电致变色材料和二茂铁材料分别加入溶剂中搅拌均匀，得到可变色溶液；2)将水凝胶冷冻干燥后，放入上述可变色溶液中溶胀，即可得到可变色水凝胶；3)将可变色水凝胶放入两层电极层中间，形成具有三明治结构的可变色电子皮肤，所述电极层为柔性导电薄膜。该电子皮肤不但具有应力/应变的监测功能，而且可实现应力/应变的可视化，具有结构简单、制备容易、成本低、灵敏度高、可重复性好等特点，在机器人、人体健康检测、智能屏幕、人机交互、防伪等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及柔性传感器的技术领域，具体是一种基于水凝胶的可变色电子皮肤。

技术背景

电子皮肤是一种柔性的机械传感网络，可以贴合于各种不规则表面并在空间上映射和量化各种机械信号。目前，有关电子皮肤的研究工作主要集中在压力/应变传感器的结构、性能优化上。然而，在机器人、医疗、人体健康监测等领域，压力/应变情况的可视化观测对新一代电子皮肤的发展至关重要。在自然进化过程中，各种生物对周围环境形成了独特的感知、响应能力。例如，变色龙可通过控制皮肤色素细胞来改变皮肤颜色，以适应周围环境，达到伪装、温度维持和通讯等目的。受此启发，人们开展了多种仿生变色材料和器件的研究，希望利用变色功能实现防伪和信息交流。然而，整合传感器的环境感知和变色龙的变色特性，开发出可视化压力/应变的电子皮肤仍是极具挑战性的。

传统的触觉传感器不具有应变/压力可视化的能力。近期，人们通过对变色龙的仿生研究，在应变/压力等信号的可视化感知方面取得了一些初步进展。例如，张海霞等人发明了“一种自驱动可视化电子皮肤”(中国专利：CN103778867A)，利用液晶显示和摩擦发电原理实现了颜色变化功能；黄程等人发明了“一种力-电-光转化增强型发光复合薄膜的制备方法”(中国专利：CN107141666A)，利用力致发光和压电原理实现了薄膜发光的功能。目前这些电子皮肤仅能实现颜色/光的变化，不能实现应力/应变的可视化功能。Raman K.Rao等人发明了“Electronic Skin Patch for Real Time Monitoring of Cardiac Activityand Personal Health Management”(美国专利：US2014/0236249A1)，实现对人体健康信号的监测，但依然不能实现应力/应变的可视化功能。

为了适应于皮肤的柔软性和弹性，制备电子皮肤的功能性材料需要具有良好的弹性和柔韧性。水凝胶的特性与天然生物组织和细胞外基质的结构特性类似，同时水凝胶还具有良好的透光率及优异的机械性能，在电子皮肤领域具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水凝胶的可变色电子皮肤。该电子皮肤的具有应力/应变感知功能、颜色可变化等特点，可以对应力/应变进行可视化呈现。此外，该电子皮肤还具有结构简单、制备容易、成本低、灵敏度高、可重复性好等特点，在机器人、人体健康检测、智能屏幕、人机交互、防伪等领域具有良好的应用前景。

本发明所提供的可变色电子皮肤由具有电极层-信号敏感层-电极层的三明治结构组合而成。信号敏感层为具有压阻性能的可变色水凝胶，电极层为可导电的柔性膜。具体制备方法如下：

1)可变色水凝胶制备

步骤一、可变色溶液的制备：将可变色材料和二茂铁材料分别加入溶剂中搅拌或超声至完全溶解。

所述可变色材料为电致变色材料，所述电致变色材料为1-甲基-4'4'-联吡啶碘化物、1,1'-二甲基-4'4'-联吡啶二碘化物、4-(4,2':6',4”-三联吡啶-4'-基)苯酚、4-(4,2':6'4”-三联吡啶-4'-基)苯酚二溴化物、3,4-乙二氧基噻吩中的一种或多种；

所述溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、水中的一种；