近日，金沙检测线路js95、江苏省特种机器人技术重点实验室王延杰教授团队在国际权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF=10.38）上以封面形式发表题为“Biological Hair-Inspired Ag NWs@Au-Embedded Nafion Electrodes with High Stability for Self-powered Ionic Flexible Sensors”的研究论文。该工作受生物毛发发根结构启发，通过集成喷涂和电镀Au工艺，在离子聚合物基体膜上生成具有强牢固性、低表面电阻、高稳定性的仿生柔性电极，以制备具有感知应变、压力、湿度的多功能离子柔性传感器，有效解决了离子柔性传感器因电极/基体失配导致损坏进而失效的技术难题。

图1 论文封面图

皮肤是人体最大的感觉器官，可以感知压力、应变、温度和湿度。通过模仿人类皮肤的触觉感知功能，基于离子迁移和离子重分布机制的离子柔性传感器得到了飞速发展。然而，目前设计的离子柔性传感主要技术挑战之一在于柔性电极与离子聚合物基体膜难以完美结合，可能会导致离子柔性传感器因电极开裂、脱落而失效。受生物毛发发根结构启发，研究团队提出了一种简便、高效、稳定的方法在离子聚合物基体膜表面形成面向离子柔性传感器使用的Ag NWs@Au嵌入式柔性电极，该电极具有三个功能层，包括基质层、Ag NWs嵌入层和Ag NWs@Au层，其分别类似于毛发结构中的表皮层，发根嵌入层，发丝层。这三个功能层的协同作用使Ag NWs@Au嵌入式柔性电极在恶劣环境下依然具有稳定的耐腐蚀性、低表面电阻、强抗表面磨损和与基体的强粘附力。基于Ag NWs@Au嵌入式柔性电极的离子传感器不仅能够实现力电感知（应变、压力），而且能够实现湿度感知。而基于其它电极的离子柔性传感器只能实现单一环境参数的感知。与此同时，对人体呼吸进行监测，实验表明，该离子柔性传感器能够有效感知人体呼吸频率及幅度。经过两个月后，该传感器仍然具有良好的湿度感知能力。

图2 基于仿生柔性电极的离子传感器的感知性能

该研究工作是团队近期关于离子柔性器件相关研究的最新进展之一。近年来，团队对离子柔性器件（包括离子柔性传感器和离子柔性驱动器）的机理、制备、性能改进及模型应用做了一系列的探索。在制备工艺方面，团队提出一种制备枝状电极界面的新工艺，并实现枝状电极的可控生长（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30258），阐明了含水量对离子驱动器性能的影响规律，提出了电极优化方法（Electrochim Acta 2014, 129, 450-8）。在传感性能探究方面，团队揭示了自供电离子聚合物传感器湿度感知机理，实现了电压、电阻、电容等多物理参数感知模式（Sensors & Actuators: B. Chemical 2021, 345, 130421和RSC Adv. 2020, 10, 27447-27455），并阐明了接触面积对离子传感器压力传感信号的影响（Smart Mater. Struct. 2022, 31, 065013）；同时，通过磁场、微结构实现对自供电离子聚合物传感器应变传感性能110%的提升（Smart Mater. Struct. 2021, 30 , 065013和Sensors 2019, 19, 2104）。在应用方面，团队研发了可用于医疗手术和人工心脏的活性导管和微泵样机（Appl Bionics Biomech, 2018, 2018:4031705）及离子变色皮肤（Advances in Mechanical Engineering. 2022; 14 (8)），并开发了一种基于离子簇团聚机理的球形变刚度软体抓手（Soft Robotics 2021）。此外，团队还系统总结了离子柔性传感器在传感机理、组成、结构设计及应用方面的最新研究进展（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110417）。

论文第一作者为金沙检测线路js95博士生赵春，通讯作者为金沙检测线路js95王延杰教授。来自西安交通大学、合肥工业大学、淮北师范大学、英国斯旺西大学等高校多名学者参与了该项研究工作，该项工作得到了国家自然科学基金（51975184和52105573）、国家重点研发计划（2020YFB1312900）等项目的支持。

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acsami.2c11754