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科企岛:生物电子传感器智能机器人

在柔性基板上激光辅助制造导电材料因其简单性、易于定制和广泛的应用而引起了科研人员强烈的兴趣。在组织状软X体上实现导电材料的激光划线仍然具有挑战性,这可以作为构建生物电子学和软致动器的基础。在这里,我们报告了在环境条件下在涂有氯化钼前体的软X体上激光划线的光活性过渡金属氧化物(二氧化钼)。激光划线二氧化钼(LSM)具有高导电性,生物相容性,化学稳定性以及与磁共振成像的相容性。此外,LSM可以在各种基材(聚酰亚胺,玻璃和头发)上制造,显示出高度的通用性。此外,基于LSM的Janus皮肤电子元件被开发用于记录来自人体皮肤,人类呼吸和环境的信息。利用其出色的光热效应,开发了基于LSM的软执行器,以构建光驱动的可重构三维架构,可重塑的气流传感器以及带有生物电子传感器的智能机器人。

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激光辅助、无掩模制造正在成为一种多功能且功能强大的技术,用于在柔性基板上具有定制图案的可扩展导电材料生产(1-5)。例如,激光诱导的石墨烯(称为LIG),利用激光照射诱导的局部高温将碳质材料转化为在环境条件下具有任意图案的多孔石墨烯,具有易于制造,易于定制和高导电性的特点,并且在柔性电子产品,软致动器,人造喉咙,储能等方面显示出有希望的应用(6-9).尽管激光辅助制造最近取得了进展,但在组织状软X体上对石墨烯或其他高导电材料进行激光划线仍然具有挑战性。例如,高质量的LIG通常在刚性聚酰亚胺(PI)薄膜(杨氏模量,〜2.5 GPa)(1)上获得,其与生物组织具有很大的机械失配。软X体表示组织样柔韧性、高拉伸性和生物相容性。此外,它们与定制导电图案的集成是制造各种生物接口电子设备和软致动器的理想构建块(例如,导电迹线和基电极)(10-12)。虽然LIG可以从刚性PI母基材转移到用于生物相关应用的软X体基材上,但额外的转印过程既复杂又繁琐(13)。值得注意的是,碳化硅(SiC)的激光辅助制造最近在软硅X体(14,15)上实现了。然而,激光划线SiC表现出相对较差的导电性,从而限制了其在皮肤上电子产品和其他方面的广泛应用。

二氧化钼2)是一种不寻常且有吸引力的过渡金属氧化物,因为它的金属电阻率(8.8×10−5欧姆·厘米),化学稳定性高,生物相容性高,磁化率低(16-18),是生物电子应用的迷人材料。此外,由于其光热转换效率高(在近X区域超过60%)(19,20),MoO2可用于光驱动软执行器。在目前,MoO2主要使用水热或煅烧方法制备,通常用于光热疗法,锂离子电池,电催化剂,表面增强拉曼光谱等(18,21-23)。即使具有这些有前途的特性,MoO的应用2在新兴的生物电子学和软致动器中仍然很少见,主要是因为缺乏可以实现简单,可扩展和无掩蔽的MoO制造的制造技术2在环境条件下使用组织样软X体。

为了填补材料制造中的上述空白,在这里,我们首先演示激光辅助,无掩模,可扩展的MoO划线2(称为LSM)在环境条件下在软X体和其他基材上。此外,现有的皮肤可穿戴设备通常具有底部图案的生物电子器件,直接接触人体皮肤以记录各种生物信号(9,10)。此外,开发Janus可穿戴设备的研究仍然很少见,这些设备在皮肤接触侧和空气暴露侧具有不同的生物传感功能。在这里,我们进一步开发了基于LSM的Janus皮肤可穿戴设备,在两侧具有不同的生物电子设备,可以提供来自人体皮肤,人类呼吸和环境的综合信息的并行监测,用于健康监测和日常生活管理的潜在应用。此外,最近已经实现了基于LIG的软致动器,这些执行器通常是电热驱动的,并且需要导电线将软执行器与外部电源连接(12)。在这项工作中,我们开发了基于LSM的,不受束缚的,光驱动的软执行器,并展示了它们在可重构三维(3D)架构,可重塑可穿戴气流传感器和带生物电子传感器的智能软机器人蠕虫中的应用。

激光划线MoO的制备和表征2

LSM的制造过程如图1A所示。简而言之,该过程从氯化钼(MoCl)的喷涂开始5)在支撑基材上,在85°C下在空气中退火2分钟。接下来,一氧化碳2激光照射用于将前体转化为MoO2在环境条件下通过光热过程。在这里,一氧化碳2激光中心在 10.6 μm,范围为 927 至 951 cm−1 (这些频率可以被前体很好地吸收(图24)。S1)。希尔伯特蛇形图案被用作说明性示例,计算机控制的CO2激光束可以产生任意的MoO2涂有前体的基板上的图案。最后,洗去前体,不暴露在一氧化碳中2激光照射,完成制造过程。有关 LSM 制造的更多详细信息,请参阅材料和方法。

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(A) 激光划线 MoO 示意图2在支撑基材上。(B)多孔SEBS上具有希尔伯特图案的LSM光学图像。比例尺,2厘米。顶视图SEM图像(C),横截面SEM图像(D)以及LSM的Mo(粉红色)和C(蓝色)元素(E)在多孔SEBS上的横截面EDS映射。比例尺,20 μm (C)、50 μm (D) 和 50 μm (E)。(F)多孔SEBS上LSM的XRD图谱。插图:单斜 MoO 的晶体结构2.A.U.,任意单位。(G和H)HRTEM图像以及LSM的相应快速傅里叶变换模式。比例尺,5 纳米。(I)LSM在多孔SEBS上的薄层电阻变化与激光划线功率和喷涂MoCl量的函数关系5前兆。颜色条指示薄层电阻的分布。(J)在人类头发,玻璃,PI和PDMS上制造的LSM的XRD图案。(K)LSM制造前后人毛的电流-电压关系(I-V)曲线。

相分离合成的多孔聚(苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SEBS)因其超柔软性(杨氏模量,~1.5 MPa)、高透气性和自冷却效果(25)而被用作说明LSM形成的基材,是皮肤生物电子学的一种有前途的软支撑基材。图1B提供了激光划线的希尔伯特蛇形图案MoO的光学图像2在多孔 SEBS 上。图 S2 显示了激光划线 MoO 的 LSM 字母数组2在多孔SEBS上,表明激光辅助制造的可扩展性和高再现性。俯视图扫描电子显微镜(SEM)图像(图1C)表明LSM具有多孔结构。横截面SEM图像(图1D)和相应的能量色散X射线光谱(EDS)元素映射(图1E)显示了LSM和多孔SEBS的互连界面,LSM的厚度约为50 μm。此外,X射线衍射(XRD)分析(图1F)表明,LSM可以作为单斜相MoO进行索引2[粉末衍射标准联合委员会 (JCPDS), 32-0671],晶格常数为 a = 5.6068 Å,b = 4.8595 Å,c = 5.5373 Å (26)。图1F中的插图说明了MoO的晶体结构2,其中六个O原子形成一个八面体,中心有一个Mo原子,占据八面体的一半空间。八面体中的所有O原子被三次共享以形成单斜MoO2,这是一种扭曲的金红石结构,具有两个替代的Mo-Mo键距离,有助于高导电性(16,23)。LSM的拉曼光谱(图2S3)进一步证实了MoO的形成2.特征峰值约为 571 和 744 cm−1由 Mo─O 键合振动模式引起,而其他指纹峰值约为 201、228、361、462 和 495 cm−1可归因于MoO的声子振动模式2 (高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像(图1G)和相应的快速傅里叶变换图案(图1H)表明LSM具有高度的结晶度。0.34 和 0.24 nm 的晶格条纹的间距可与单斜 MoO 的 (−111) 和 (200) 平面作索引2分别。此外,如图1I所示,薄片电阻约为4.6欧姆的正方形−1可以通过优化激光划线功率和MoCl量在LSM上实现5涂覆在多孔SEBS上的前体,非常适合生物电子应用。此外,激光辅助制造工艺具有高度可重复性,标清为0.4欧姆平方−1在20个独立制备的LSM样品的薄层电阻中获得(图1S4)。值得注意的是,激光照射在不包覆MoCl的多孔SEBS上5前体导致底物消融(图1S5)而不是LIG的形成,可能是由于其低熔点和缺乏交联芳族结构(27)。除了多孔SEBS之外,LSM还已经在各种基材上制成,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS),PI,玻璃,甚至人类头发(图1J和无花果。S6和S7)使用类似的程序,表明所报告的制造技术具有高度的通用性。图S7提供了在人类头发上形成的LSM的SEM图像。LSM形成后,人类头发变得导电(图1K)。另外,如图1所示。S8,LSM表示在高温下以及在强酸和强碱中的高稳定性。另外,如图1所示。S9,使用前驱体涂层,激光照射在MoO期间对聚合物基材下方的影响很小2制造,可能是由于前体材料在CO中的强吸收2激光波长(图S1A)。值得注意的是,LSM制造对多孔X体基材的透气性(水蒸气透过率)的影响可以忽略不计(图1)。S10)由于LSM的多孔结构和LSM制备后多孔SEBS的多孔结构保存良好(图10)。S9)。

此外,通过在LSM上孵育三种不同类型的细胞系进行细胞毒性测试,包括人永生表皮细胞(HaCaT),人组织细胞淋巴瘤细胞(U937)和人真皮成纤维细胞(HDF-α)。这里,使用普通的双向方差分析(ANOVA)评估所获得的数据的统计显著性,然后使用Tukey的事后多重比较检验,并且在P0.05)没有显着差异。荧光显微照片(图2B)显示HaCaT细胞附着良好并在LSM上均匀扩散,并且没有观察到可见(VIS)细胞凋亡或坏死,表明具有出色的生物相容性。此外,需要开发磁共振成像(MRI)兼容的生物电子学(28,29)。MRI和生物电子学的独特结合可以提供人类心理状态的全面信息。这里,LSM的磁化率约为百万分之-2(ppm)(图2C)。当所研究的材料与水之间的磁化差(磁化率,−9 ppm)的绝对值小于10 ppm(30)时,通常认为该材料与MRI兼容。如图2D所示,LSM比生物电子学中使用的其他几种导电材料(例如铂(Pt),金(Au)和银(Ag)])具有更好的MRI兼容性(30)。虽然铜(Cu)具有比LSM更好的MRI兼容性,但Cu可以很容易地氧化成氧化铜,在空气和生物流体中具有高磁化率(~17 ppm)(31),抑制了其前景。此外,在20分钟的MRI扫描过程中,在LSM上观察到温度波动可以忽略不计(图2E),使用光纤温度传感器测量。为了进一步证明MRI兼容性,将LSM连接到猪头上(图。S11)用于使用3T临床MRI扫描仪进行成像。获得的MRI图像显示LSM附近没有伪影或失真[分别通过T1加权磁化制备的快速采集梯度回波(MPRAGE)序列扫描和T2加权采样完美,应用优化对比度,使用不同的翻转角度演化(SPACE)序列扫描;图2F和图2S12],表示出色的 MRI 兼容性。同时,在具有kirigami切割图案的多孔SEBS上制造的LSM表现出有希望的柔韧性,拉伸性和可循环性(图1)。S13)。

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图 2.激光划线 MoO 的细胞毒性测试和 MRI 相容性表征2.

(A)在LSM和对照样品(组织培养聚苯乙烯)上培养5天后3个细胞系的相对荧光强度。(B)培养1,3和5天后,LSM和对照样品上染色的HaCaT细胞的荧光图像。活细胞和死细胞分别被染成绿色和红色。比例尺,50 μm。(C)LSM对在−7至7 T的外加磁场下在300 K下测量的多孔SEBS的磁化率(D)磁化率的绝对值(χ)水与生物电子学中使用的某些导电材料(LSM,Pt,Au,Ag和Cu)之间的差异。(E)用光纤温度传感器测量的MRI扫描过程中LSM的温度变化,显示波动可以忽略不计。从日冕(左),轴(中)和矢状(右)方向(F)连接到LSM的猪头的MRI图像,显示LSM附近没有失真或伪影。箭头表示猪头上的LSM位置。

基于激光划线 MoO 的 Janus 皮肤可穿戴设备2

新兴的皮肤可穿戴电子设备可以提供对人体皮肤的一系列生理信号的连续,实时监测,并且可以在人类医疗保健,健身跟踪,人机界面等中得到广泛应用(32-34)。尽管最近取得了相当大的进展,但具有Janus设备布局的皮肤可穿戴设备仍然很少见,它不仅可以记录来自人体皮肤的多个生物信号,还可以从人类呼吸和周围环境中捕获有用的信息。在本节中,我们演示了基于 LSM 的 Janus 皮肤可穿戴设备,这些可穿戴设备以多孔 SEBS 为图案(图 3A)。顶部(图3B和图1Janus可穿戴设备的S14A暴露在空气中,具有酒精气体传感器,湿度传感器,紫外线(UV)传感器和氨(NH)3) 气体传感器,由涂有二硒化钨 (WSe) 的 LSM 交指电极组成2纳米片,氧化石墨烯(GO),氧化锌(ZnO)纳米线和对甲苯磺酸盐六水合掺杂聚苯胺(PTS-PANI)。Janus 可穿戴设备的底部(图 3C 和图 1S14B)直接接触人体皮肤,具有电生理传感器、温度传感器、汗液生化传感器。电生理传感器由LSM参比电极、接地电极和测量电极组成,可以监测心电图(ECG)、脑电图(EEG)和肌电图(EMG)。温度传感器由LSM导电迹线组成,可以测量体温。汗液生化传感器由LSM对电极、LSM工作电极(涂有碳墨水)、LSM工作电极(涂有碳墨水、金纳米颗粒、普鲁士蓝和葡萄糖氧化酶)和LSM参比电极[涂有氯化银/氯化银(Ag/AgCl)]组成,可以同时测量人体汗液中的葡萄糖、尿酸(UA)和X(CAF)(图)。S15)。在这里,汗液感应区域被汗水吸收垫(Texwipe TX609)覆盖,用于收集汗水。此外,明胶 - 多巴胺基粘合剂涂覆在多孔SEBS上,以改善设备的粘性并增强Janus可穿戴设备与皮肤之间的保形接触(图.3D和图。S16)。

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图 3.基于激光划线 MoO 的 Janus 皮肤可穿戴设备2.

(A) 基于 LSM 的 Janus 皮肤可穿戴设备的分解视图,该视图以多孔 SEBS 为图案。Janus可穿戴设备顶部(B)和底部(C)上的生物电子设备示意图。(D)照片显示Janus可穿戴设备和皮肤之间的良好粘性。(E) 用现成的电子元件组装而成的柔性印刷电路板的照片,用于原位数据处理和蓝牙无线数据传输。(六)移动数据采集电路的系统级框图。(G) 在安装了定制软件应用程序的智能手机上显示图形数据的说明。比例尺,1厘米。有关基于LSM的皮肤生物电子器件的性能和表征的详细信息在无花果中提供。S20 至 S31。智能手机上的移动数据采集、无线数据传输和图形显示已在电影 S1 中演示。

此外,Janus 可穿戴设备可以与移动数据采集电路接口(图 1S17)用于低功耗蓝牙的原位数据处理和无线数据传输。在这里,移动数据采集电路与现成的电子元件一起组装在柔性印刷电路板上(图3E)。简化的框图如图3F所示,图中提供了详细设计和使用的现成电子元件。S18 和 S19 以及表 S1。此外,录制的生物信号可以显示在安装了定制移动软件应用程序的智能手机上(图3F和电影S1)。

图S20至S27显示了触摸皮肤的代表性基于LSM的生物电子设备(即Janus可穿戴设备底部的设备)的性能和表征。在这里,获得的基于LSM的设备可以监测来自人体皮肤的丰富各种与健康相关的生物物理和生化信号,并且可以对人体提供编程的热和电X。具体而言,基于LSM的温度传感器表现出正温度电阻系数(0.72%)oC−1),并且可以在应用热垫后捕获动态皮肤温度变化(图1S20,A至C)。通过在LSM导电迹线上施加电压,可以用作焦耳加热器,该走线可以在弯曲和伸展状态下在人手腕上很好地工作(图1)。S20、D 和 E)。此外,基于LSM的电生理传感器,其皮肤器件接触阻抗与传统的Ag/AgCl凝胶电极相当(图1)。S21),可以从人体不同位置对心电图、脑电图和肌电图进行高保真测量。图S22(A和B)显示,基于LSM的电生理传感器能够以高质量(信噪比,约21.2 dB)和清晰可区分的P波,QRS复合物和T波连续记录来自人体X的ECG信号。呼吸速率和瞬时心率(HRs)可以通过记录的ECG信号确定,结果与常规方法测量的数据非常吻合(图。S22,C至E)。此外,当人类志愿者首先睁开眼睛50秒,然后闭上眼睛100秒时,电生理传感器可以捕获来自前额的脑电信号(α节律,频率以~10 Hz为中心;图。S23)。此外,当志愿者弯曲手腕不同时间并弯曲不同手指时,基于LSM的电生理传感器可以从前臂(屈肌桡骨肌)检测到可区分的肌电图信号(信噪比,~19.2 dB)(图19.2 dB)。S24、A 和 B)。此外,使用基于LSM的电极可以将编程电X应用于人体。此外,X信号和诱导肌电信号(图1从同一块肌肉(腕屈肌桡骨肌)记录的S24C)彼此对齐良好,表明通过提供程序电X在伤口愈合,疼痛缓解和康复中的潜在应用(35-37)。

汗液生化传感可以提供从分子水平(的健康状况的见解38,39)。在这项工作中,我们开发了基于LSM的汗液生化传感器,用于葡萄糖,UA和CAF检测(图。S15),可通过LSM基电极的额外功能化进一步扩展以监测其他汗液生化。葡萄糖检测基于LSM工作电极(涂有碳油墨,金纳米颗粒,普鲁士蓝和葡萄糖氧化酶)上的葡萄糖氧化酶,伴随着过氧化氢的产生。氧化过氧化氢产生的电流与葡萄糖浓度成线性正比。因此,可以通过监测响应电流(灵敏度,~15.7 nA μM)来确定葡萄糖浓度−1;无花果。S25、A 和 B)。此外,图。S25(C至E)表明基于LSM的葡萄糖传感器具有高重复性,长期稳定性和高选择性。例如,如图1所示。S25E,乳酸盐,UA和CAF的干扰汗液分析物对血糖监测的影响可以忽略不计。UA和CAF检测基于UA和CAF在不同特定电位(UA,~0.15 V;CAF,~1.11 V)在LSM工作电极(涂有碳墨水)上使用差分脉冲伏安法,表现出高灵敏度、可重复性、稳定性和选择性(图1.S26 和 S27)。例如,UA和CAF氧化产生的电流与其浓度成线性比例,灵敏度约为63.9和〜47.3 nA μM−1分别。此外,干扰性汗液分析物(葡萄糖、乳酸盐、CAF 或 UA)对 UA 和 CAF 检测的影响可以忽略不计。

图S28至S31显示了暴露在空气中的基于LSM的代表性生物电子器件(即Janus可穿戴设备顶部器件)的性能和表征,这些器件在健康和环境监测中很有用。例如,过度暴露于紫外线辐射具有与各种医疗条件(例如,皮肤癌和皮肤老化)相关的风险(40)。制造的紫外传感器由涂有ZnO纳米线的LSM交指电极组成,可以检测紫外光强度(图1)。S28)基于ZnO纳米线(41)上表面状态浓度的光生变化,表明开/关比大(~104)和快速响应时间(约22秒)。此外,空气和人体呼吸中的湿度可以根据涂覆在LSM交指电极上的GO(42)上的吸水和解吸来检测(图1)。S29),这可能导致电容变化。此外,酒精气体传感器,由涂有WSe的LSM交指电极组成2纳米片,可以检测人体呼吸样品中的酒精气体浓度(图1S30)因为吸收了WSe上的醇分子2可减少O形成的耗竭层2吸收,归因于更多的电子释放并导致电阻降低(43)。此外,可以在PTS-PANI涂层的LSM叉指电极上检测胺气体(例如氨,腐胺和尸体),因为吸收气体分子的胺基团可以向PTS-PANI提供孤电子,从而导致去掺杂并增加PANI的电阻(44)。如图1所示。S31,获得的NH3气体传感器不仅可以检测NH3人体呼吸样本中的浓度,其可用于某些疾病的诊断(例如,肝功能衰竭)(45),但也对生物胺气体(例如,腐胺和尸体)作出反应以监测食物X(44)。

在日常生活活动中展示Janus皮肤可穿戴设备

除了通过生理监测和程序X在医疗保健中的潜在应用外,我们还进一步证明了基于LSM的Janus可穿戴设备在日常活动中的潜在应用(图4)。在第一种情况下,一名人类志愿者在校园操场上散步,那里的紫外线强度很高(~321μW cm)。−2)和低相对湿度(~20%)被检测到。因此,志愿者前往附近的一条小径散步(图4A),该小径周围环绕着树木和溪流,环境健康(紫外线强度,约45μW cm−2;湿度,~45%)。在第二种情况下,志愿者在早午餐时吃了牛肉,鱼和咖啡。在烹饪牛肉和鱼之前,志愿者使用基于LSM的Janus可穿戴设备检查了食物的X情况(图4B)。早午餐结束后,使用基于LSM的Janus可穿戴设备跟踪志愿者汗水中的葡萄糖,UA和CAF。图4C显示,由于新陈代谢,这些生化物质的汗液浓度首先显着增加,然后在约8小时后恢复到正常水平。第二天,志愿者每1公斤体重喝白葡萄酒[约0.5克白葡萄酒(按体积计含56%酒精)]。众所周知,酒精摄入对人体和行为有短期和长期的影响。在这里,基于LSM的Janus可穿戴设备可以跟踪志愿者的大脑和心脏活动以及呼吸酒精浓度(图4D),显示了在酗酒研究中的潜在应用。在特定的,缓慢的α活性(ΔS / S0)在饮酒15分钟开始时迅速增加,与酒精摄入引起的主观欣X发作有关,然后在接下来的2小时内相对缓慢地增加到峰值,与酒精摄入引起的更放松但清醒的精神状态一致(46)。在这里,S0是饮酒前慢α节律(~7.5至10 Hz)的积分面积,ΔS通过减去S来计算0从酒精摄入后不同时间记录的慢α节律的整体区域(无花果。S32 和 S33)。此外,通过基于LSM的酒精气体传感器跟踪呼吸酒精浓度,该传感器在饮酒约2小时后达到峰值,并在约8小时后恢复正常值(图1)。S34)。值得注意的是,心率和心率变异(HRV)可以从基于LSM的电生理传感器记录的ECG信号中确定(图1)。S22)。喝完白葡萄酒后,志愿者的心率增加,他的HRV下降,表明自主神经控制的效率下降(47)。他的心率和心率V需要大约8个小时才能恢复到正常值。

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图 4.在日常生活活动中演示基于LSM的Janus皮肤可穿戴设备。

(A)插图(左)和校园操场上的紫外线光密度和相对湿度(RH)以及使用基于LSM的Janus可穿戴设备测量的附近小径(右)。(B)图解(左)基于LSM的氨传感器对新鲜和变质的鱼和牛肉的电阻响应(右)。(C)在8小时内吃早午餐(包括牛肉,鱼类和咖啡)之前和之后,人体汗液中CAF,UA和葡萄糖的动态浓度变化。在这里,运动被用来产生汗水。(D) 慢α区相对变化的动态变化(ΔS/S0),饮酒前后的呼吸酒精浓度(BrAC),HR和HRV[每1公斤人类志愿者体重约0.5克白葡萄酒(56%酒精体积)]超过8.5小时。在这里,所有实验独立重复三次,结果相似。

基于激光划线 MoO 的光驱动软致动器2

软致动器是一些新兴复杂功能设备的基本构建块,可以在可重构的3D结构,可重塑的生物电子学,软机器人,响应式超材料,可调谐光学器件和许多其他领域中找到广泛的应用(12,48)。在本节中,我们开发了基于LSM的光驱动软致动器(图5和图1。S35至S38)利用其出色的光热效应(19,20)。如图5A所示,软致动器由PI、LSM和PDMS三层结构组成。在这里,LSM用作柔韧的光热加热器。在X照明(Phillips,BR40X灯)时,由于PI和PDMS之间的显着热X差引起的应力,执行器可以弯曲到PI侧。最大弯曲角可以通过X灯的功率密度来控制(图5B和图5B。S36)。软致动器从0°弯曲到225°大约需要7秒,恢复大约需要9秒。图 5(C 至 F),图 5S37 和电影 S2 演示了由基于 LSM 的软致动器制成的可重构 3D 结构。演示示例包括花状 3D 结构和风车状 3D 结构,以及与机械组装的 3D 结构 (49, 50) 的集成,以形成复杂的多层 3D 架构。2D 和 3D 形状之间的重新配置可以通过关闭和打开X照明来实现。利用2D到3D的重新配置,开发了一种可重塑的可穿戴式气流传感器(图5,G和H)。该传感器由六个基于LSM的花瓣状软致动器组成,每个执行器都集成了由LIG制成的应变片,分为六个传感通道。这些传感通道可单独寻址。不使用时,传感器采用 2D 配置以节省空间。在工作期间,传感器重新配置为3D结构,这不仅可以提供高灵敏度(图1)。S38)还可以通过测量六个传感通道中的电阻变化来检测气流的方向。此外,我们还开发了一种基于LSM的蠕虫状智能软机器人(图5I和电影S3)。智能软机器人蜗杆与氨传感器集成,可以通过打开和关闭X照明来执行受控运动,并且可以检测环境中的氨泄漏,表明在环境监测和国土安全方面的潜在应用。

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图 5.基于LSM的光驱动软执行器及其在可重构3D结构,可重塑可穿戴设备和软机器人中的应用。

(A)基于LSM的光驱动软致动器示意图。(B) 基于LSM的软致动器的最大弯曲角作为X灯功率密度的函数(Phillips,BR40X灯)。花状(C)和风车状(D)可重构的3D结构(右)及其相应的2D模式(左)。通过将基于LSM的软致动器与机械组装的双层笼(E)和伞(F)以及笼子和伞的相应2D图案(左)相结合,形成的可重构多层3D架构(右)。在这里,2D图案中的红点表示结合位点。(G)可重塑可穿戴式气流传感器的示意图和光学图像。气流传感器由六个类似花瓣的LSM软致动器组成,每个执行器都集成了由LIG制成的应变片,分类为传感通道1至6。比例尺,0.5 厘米(C 至 G)。(H)可整形气流传感器的六个传感通道在不同流量(左)和流向(右)下的电阻响应。(I) 在8厘米长的跟踪道的不同位置的氨气浓度,由与氨气传感器集成的智能机器人蠕虫测量。在这里,将装有氢氧化铵溶液(约30%重量)的打开瓶子放置在轨迹中间。此外,光驱动的智能机器人蠕虫在单向楼梯(54)的引导下从小径的一端移动到另一端。此外,最近的研究表明,具有特定不对称结构设计的软机器人蠕虫也可以执行单向运动,而无需单向楼梯(55,56)。

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