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黄永安教授团队在《Advanced Materials》上发表基于超材料的“电子铠甲”的最新研究成果

作者:江山编辑:吴仰天发布:2022-06-21点击量:

616日,我院数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授团队在国际权威期刊《Advanced Materials》(影响因子:30.849)上在线发表了题为《可自适应共形的仿生超材料电子铠甲(Snakeskin-inspired, Soft-Hinge Kirigami Metamaterial for Self-adaptive Conformal Electronic Armor)》的研究文章,提出了基于剪纸超材料的“电子铠甲(E-armor)”,融合“电子皮肤(E-skin)”和“生物铠甲(bionic armor)”,兼具灵活性、共形性、防护性和感知/显示等电子功能性。研究成果有望提高柔性电子器件在复杂工况中的持续工作能力。我院博士后江山、博士生刘建鹏为本文共同第一作者,黄永安教授、厉侃教授为本文共同通讯作者。

近年来,以E-skin为代表的柔性电子研究得到了学术界和工业界的广泛关注,已经衍生出可穿戴电子、表皮电子、人机交互等多种引领性创新应用。目前,该领域的研究主要集中在传感性能的提升,极少数研究关注柔性电子在不可预测或不可控环境中的鲁棒性和生存能力。柔性电子器件大多采用本征软材料,首要解决灵活性和共形性,防护性往往被忽视。自然界中,经过数百万年的自然筛选,生物铠甲已广泛进化为一种有效的防御机制,例如大多数昆虫、无脊椎动物、鱼类、两栖动物、爬行动物和哺乳动物。将生物铠甲引入到柔性电子设计,不仅具有类似E-skin的柔性易变形、易共形的力学特性和电子功能性,而且能够保护自身和所覆盖物体免受外部力/热/磁/电冲击等伤害或干扰,具有重要的理论和实用价值。

蛇是自然界最能适应环境的动物之一,其鳞甲非常坚硬,但身体却极度柔软和灵活,一条细长的蛇可以吞下数倍于已的猎物。此外,鳞片覆盖下的真皮层能够感知温度和压力等外部刺激。受蛇皮启发,我们提出了一种软节点剪纸力学超材料(Kirigami mechanical metamaterials,Kiri-MMs),实现硬质鳞片在复杂曲面上的自适应共形。在此基础上,通过引入导电可拉伸功能材料、FPGA电路控制、柔性传感器等功能器件,构建具备电子功能的E-armor(图1)。图2给出了FPGA控制的可编程显示。图3通过仿蛇吞蛋实验展示了E-armor的感知能力,通过集成柔性压力传感器,圆管状E-armor能够精准监测蛋的大小和位置。此外,E-armor还具备外部环境感知能力。

图1.仿蛇皮电子铠甲

2.可编程显示及复杂曲面共形

图3.传感功能

本研究成果抛砖引玉,为柔性电子研究提供了潜在的研究分支。除上述展示的可编程显示、压力感知等初级功能,还可以集成其他传感、芯片、光/电/声/热元器件等功能单元。潜在的应用场景包括软体机器人、人工血管支架、光/声/热隐身等。

本研究获国家自然科学基金,中国博士后科学基金,中央高校基本科研业务费专项资金和华中科技大学学术前沿青年团队项目资助。


原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204091


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