Ein Chamäleon-inspirierte dehnbare elektronische Haut mit interaktiven Farbwechsel gesteuert durch

Ein Chamäleon-inspirierte dehnbare elektronische Haut mit interaktiven Farbwechsel gesteuert durchEin Chamäleon-inspirierte dehnbare elektronische Haut mit interaktiven Farbe durch Tastsensoren gesteuert Ändern

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Abstrakt

Einige Tiere, wie das Chamäleon und Kopffüßer, haben die bemerkenswerte Fähigkeit, ihre Hautfarbe zu ändern. Diese einzigartige Eigenschaft hat Wissenschaftler lange inspirierte Materialien und Geräte zu entwickeln, eine solche Funktion zu imitieren. Allerdings erfordert es die komplexe Integration der Dehnfähigkeit, Farbwechsel und Tastsensoren. Hier zeigen wir ein All-Lösung Chamäleon-inspirierte dehnbare elektronische Haut (e-Haut) verarbeitet werden, in dem die E-Hautfarbe leicht durch Variation der angelegten Druck zusammen mit dem ausgeübten Druck Dauer gesteuert werden kann. Als solche E-Haut&# X02019; s Farbwechsel kann auch wiederum verwendet werden, um den Druck ausgeübt zu unterscheiden. Die Integration des dehnbaren, hoch abstimmbaren resistiven Drucksensor und dem vollständig dehnbar organischen elektrochromen Vorrichtung ermöglicht die Demonstration einer dehnbaren elektrochromatisch aktiven E-Haut mit taktil-Sensing-Steuerung. Dieses System wird vielfältige Anwendungen wie interaktive tragbare Geräte, künstliche Prothesen und intelligente Roboter.

Betreff Bedingungen:

Auf einen Blick

Figuren

Ebenfalls gezeigt sind (unten links) die Strukturen der beiden neutralen und oxidierten Zuständen des elektrochromen Polymers in Poly (3-hexylthiophen-2,5-diyl, P3HT) und (rechts unten) ein Schema der Schaltungsanordnung (PS, Drucksensor; ECD, elektrochromen Vorrichtung). (Ambanja Panther-Chamäleon und junge Hand Bilder von www.123rf.com).

(ein Ein schematisch) für die Herstellung von PSs PS-1, PS-10 und PS-30. (b ) Die REM-Aufnahme von PS-1. (c ) Die REM-Aufnahme von PS-10. (d ) Die REM-Aufnahme von PS-30. Eine stärkere Vergrößerung REM-Aufnahmen von einzelnen Pyramide sind in dem Einsatz vorgesehen.

Die Druckantwort für vier aufeinanderfolgende Messungen von (ein ) PS-1, (b ) PS-10 und (c ) PS-30. (d ) Der Vergleich der Resistenzreaktion und die Schwelle des Widerstands von PDL (zweite Vorwärts) Schaltbereich. (e ) Der Vergleich des Widerstandsantwort von PS-10 bei verschiedenen Stämmen. (f ) Ein schematisches Diagramm der einzelnen SWNT beschichteten pyramidenmikrostrukturierten PDMS (Einschub: jede Steigung der Widerstandsantwort von PS-10).

(ein ) Das UV-VIS-Spektren der neutralen und oxidierten P3HT. (b ) Die Farbe Schaltverhalten der ECD-Werte bei 0 &# X00025; Belastung. (c ) Die vergrößerte Spektren des einzelnen Schaltzyklus bei 0 &# X00025; Belastung. (d ) Die vergrößerte Spektren des einzelnen Schaltzyklus bei 20 &# X00025; Belastung. (e ) Die zyklische Umschaltung bei 0 &# X00025; Belastung. (f ) Die zyklische Umschaltung bei 20 &# X00025; Belastung.

(ein ) Der Widerstand comparsion von neutralen und oxidierten P3HT für von 0 bis 100 reichen Stämmen &# X00025 ;. (b Die Absorptionsspektren von P3HT ECD bei verschiedenen Stämmen).

(ein ) Der schematische Aufbau interaktiver farbveränderliches E-Haut, das Layout der Schaltung und die Fotos von PSEC. (b Die Absorptionsspektren) auf den Druck bezogen. (c ) Eigenschaften von ECD Die Retentions Farbe. (d ) Die zu den verschiedenen angelegten Drücken Absorptionsänderungen in Echtzeit entspricht, in dem jeder Druck wurde 10 mainatined   s. (e ) Die Geschwindigkeit der Farbsättigung für unterschiedliche Drücke, wurde jeder Druck, bis die Farbsättigung für alle Fälle angewandt. (f ) Die Absorption und Zeit im Vergleich zu dem Druck sowohl für den Nieder- und Hochdrucksysteme.

Sequenzielle Bilder eines Teddybären zeigen die Expression von Tastsensoren in sichtbare Farbveränderungen. Im Einzelnen wird die ursprüngliche Farbe des ECD von dunkelrot bis blau grau auf einem schwachen angelegten Druck geändert (

50   kPa), kehrt bei Druckentlastung und Änderungen an dunkelroten Rücken blau auf einem starken ausgeübten Druck zu blass (

200   kPa; von links nach rechts Bilder). Die Zahl in der unteren rechten Ecke jedes Bildes gibt die verstrichene Zeit.

Einführung

Menschliche Haut stellt eine bemerkenswerte Netzwerk von Sensoren mit hochempfindlichen Druck, Temperatur und Vibrationserfassungs 1. 2. 3. Die Haut kann Umweltreize in physiologische Signale transduzieren, die durch Gehirn dann interpretiert werden. Elektronische Haut (e-Haut) ist eine künstliche Haut, die die Eigenschaften der Haut mit Hilfe elektronischer Geräte imitiert. Inspiriert durch die menschliche Haut, E-Haut hat viele mögliche Anwendungen 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21 gefunden worden. 22. 23. 24. 25. wie tragbare Geräte, künstliche Prothesen, die Gesundheitsüberwachung und intelligente Roboter.

Anders als die menschliche Haut, beide Tiere und Insekten Haut zeigen zusätzliche Funktionen, beispielsweise das Chamäleon&# X02019; s Haut hat Farbe wechselnden Fähigkeiten. Ein Chamäleon verschiebt seine Hautfarbe durch die Haut Pigmentzelle für Zwecke in Tarnung 26 Temperaturerhaltung und Kommunikation zu steuern. Da Chamäleons jede Körperwärme nicht erzeugen kann, kann die Farbe ihrer Haut kann wiederum verwendet, um ihre Körpertemperatur zu regulieren. Nachahmen der Farbwechsel-Fähigkeit von Chamäleons können auch, wie mechanische oder elektrische Steuerung mit Ansätzen erreicht werden 27. 28. 29. 30. 31. Whitesides und seine Kollegen 31 berichtet eine weiche Maschine mit mikrofluidischen Kanälen ausgestattet, die farbgefüllte oder Farbe sein kann, gespülten durch eine farbige Flüssigkeit durch die Kanäle zu pumpen. 32 Rogers und Kollegen berichteten über eine adaptive opto-elektronische Tarnung System einen Leukofarbstoff Komposits, die Schwarz-Weiß-Muster erzeugen kann seine Umgebung anzupassen. 33 Zhao und Kollegen berichteten über eine weiche Materialsystem zur Erzeugung von spannungsgesteuerten On-Demand-Fluoreszenzmuster, die moduliert werden können vielfältig Geometrien aufweisen. Trotz dieser Erfolge dennoch die oben genannten Geräte nur in wechselnden Farben Fähigkeiten demonstriert, es fehlt die entscheidende Funktion der Haut, nämlich Tastsensoren. Javey und Kollegen 13 vor kurzem diese Fortschritte gefördert durch eine benutzer interaktive E-Haut für momentane Druck Visualisierung auf einem Polyimid-Substrat beschreibt. Diese E-Haut ist in der Lage der aufgebrachte Druck auf die Helligkeit der Geräte sowie räumlich Abbilden der aufgebrachte Druck korreliert. Allerdings muss die E-Haut eine konstante Vorspannung sein Licht / Farbe zu erhalten, die nicht ideal für einen niedrigen Stromverbrauch System ist. Zusätzlich kann, da die Vorrichtung auf einem Kunststoffsubstrat hergestellt wird, ist es nicht dehnbar.

Die menschliche Haut ist allgemein als eine betrachtet &# X02018; ideal&# X02019; geringer Stromverbrauch Sensor. Um diese Eigenschaft zu imitieren, einen geringen Stromverbrauch System zu schaffen ist sehr relevant für die E-Haut-Anwendungen. Zusätzlich kann die Gegenwart beider Parameter in Tastsensoren und Dehnfähigkeit sind auch wichtig, weil Tastsensoren der Haut des Körpers ermöglicht mit der äußeren Umgebung zu kommunizieren, während die Dehnbarkeit der Haut uns Freizügigkeit ermöglicht.

Abbildung 1: Illustration des Konzepts von einem Chamäleon-inspirierten E-Haut.

Ebenfalls gezeigt sind (unten links) die Strukturen der beiden neutralen und oxidierten Zuständen des elektrochromen Polymers in Poly (3-hexylthiophen-2,5-diyl, P3HT) und (rechts unten) ein Schema der Schaltungsanordnung (PS, Drucksensor; ECD, elektrochromen Vorrichtung). (Ambanja Panther-Chamäleon und junge Hand Bilder von www.123rf.com).

Ergebnisse

Dehnbare, transparente und gut einstellbare Widerstands MTs

Obwohl viele resistive PSs berichtet worden, deren Widerstandswert und der Schwellenwert der Widerstandsbereiche Schalt sind nicht einfach zu justieren. Darüber hinaus ist die Änderung des Widerstandswerts ungenügend aus nichtleitend hochleitfähigen geschaltet werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben wir hier eine neue Art von dehnbaren, transparent und hoch abstimmbaren Widerstands PS basierend auf einem elastischen pyramidenmikrostrukturierten PDMS mit einer Schicht aus umspritzt einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT). Der PS ist einzigartig entworfen des Einstellens der Höhe der SWNTs mit der Pyramide der Lage zu sein, und auch den Widerstand Antwort und die Schwelle des Widerstandes in Steuern von Schaltbereich.

Figur 2: Eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses und ihre SEM-Bilder.

(ein Ein schematisch) für die Herstellung von PSs PS-1, PS-10 und PS-30. (b ) Die REM-Aufnahme von PS-1. (c ) Die REM-Aufnahme von PS-10. (d ) Die REM-Aufnahme von PS-30. Eine stärkere Vergrößerung REM-Aufnahmen von einzelnen Pyramide sind in dem Einsatz vorgesehen.

Abbildung 3: Druckerfassungs Charakterisierung von PS.

Die Druckantwort für vier aufeinanderfolgende Messungen von (ein ) PS-1, (b ) PS-10 und (c ) PS-30. (d ) Der Vergleich der Resistenzreaktion und die Schwelle des Widerstands von PDL (zweite Vorwärts) Schaltbereich. (e ) Der Vergleich des Widerstandsantwort von PS-10 bei verschiedenen Stämmen. (f ) Ein schematisches Diagramm der einzelnen SWNT beschichteten pyramidenmikrostrukturierten PDMS (Einschub: jede Steigung der Widerstandsantwort von PS-10).

Um die Dehnbarkeit unserer Sensoren testen, haben wir gestreckt PS-10 an den beiden 20 und 50 &# X00025; Stämme. Die PS gehalten noch die Funktionalität, wie in gezeigt. 3e. Die PS-10 zeigte Widerstandsänderungen von bis zu fünf Größenordnungen bei 20 &# X00025; Belastung. Selbst bei 50 &# X00025; Stamm, es kann immer noch die Widerstandsänderungen von bis zu vier Grßenordnungen aufrechtzuerhalten. Als Ergebnis haben wir dehnbaren und transparenten resistive PSs gezeigt, mit dem Vorteil, einen breit abstimmbaren Dynamikbereich aufweist, durch ein einfaches Verfahren. Um den Widerstand Antwort zuzugreifen, analysieren wir die Hänge des Reaktionskurve von PS. Wie in gezeigt. 3f. fünf verschiedene Arten von Pisten sind in der Antwort-Kurve von PS-10 beobachtet. Wenn der Druck aufgebracht wird, Steigung 1 entspricht der Gegenelektrode des nicht-SWNT beschichteten Pyramidenspitze, aber bevor der Gegenelektrode berührt den SWNT-beschichteten Teils zu berühren. Während dieser Zeit wurde beobachtet, dass die Steigung annähernd flach ist und dies, weil die PS in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird. Steigung 2 ist, wenn die Gegenelektrode zuerst in Kontakt kommt mit den SWNT-beschichteten Teile der Pyramiden. Eine scharfe Steigung wird in dieser Zeit beobachtet wird, da das SWNT-beschichteten Teil der Pyramiden über einen großen Flächenwiderstand bieten deutlich den Widerstand zu verringern. Slope 3 wird erzeugt, wenn die Gegenelektrode in Kontakt mit der SWNT-beschichteten Pyramide ist kurz vor der Basis von SWNT-beschichteten PDMS zu berühren. Steigung 4 erzeugt wird, wenn die Gegenelektrode die Basis des SWNT-beschichteten PDMS berührt, wird dies als bezeichnet. Schließlich wird der Bereich, in dem die Kurve der Widerstandsantwort von PS-10 gesättigt ist Steigung 5.

Um die Stabilität der hergestellten PS veranschaulichen, maßen wir mehrere zyklische Daten von PS-10. Wie in Ergänzungs gezeigt. 2. Der Widerstand des PS blieb konsistent sowohl auf 0   kPa (

2 &# X000D7; 10 6   k &# X02126; ) Und 22   kPa (

50   k &# X02126; ) Nach über 300 Zyklen. Diese Beobachtung zeigt, dass unsere resistive PS sowohl Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit hat, was die SWNTs gut auf der Oberfläche der pyramiden PDMS Strukturen befestigt geblieben. Darüber hinaus haben wir eine 3 gefertigt &# X000D7; 3   cm 2 PS zu zeigen, dass die Pyramidenstruktur und die SWNT-Entfernungsverfahren für die MTs kann potenziell zu großen Bereich Geräte (Supplementary Abb. 3) aufgebracht werden. Mit diesem PS beobachteten wir eine ausgezeichnete Beständigkeit Wirkungs-Kurven und Reproduzierbarkeit nach 10 &# X000D7; wiederholt laufen. Darüber hinaus ist die Widerstandsänderung

5 Größenordnungen, die zeigt, dass die PS kann in der Tat über eine große Fläche für die praktische künstliche Haut Anwendungen angewendet werden.

Vollständig dehnbares organische ECD

Figur 4a zeigt die UV-VIS-Spektren der dehnbaren Polymerbasis ECDs. Die maximale Absorption der neutralen P3HT war ca. 550   nm, wohingegen das oxidierte P3HT wurde auf ca. rotverschoben 800   nm. Die kinetische Absorptionsmessung wird verwendet, um das Schaltverhalten und die Stabilität der dehnbaren ECDs bei 550 zu bestimmen,   nm durch die Vorspannung zwischen 1,0 und Radfahren &# X02212; 1.0   V mit einem 10-s Schritt wird, wie in Fig. 4b. Bemerkenswert ist, seine niedrige Steuerspannung &# X000B1; 1.0   V ist für das Konzept der niedrigen Energieverbrauch e-Haut vorteilhaft. Bei 0 &# X00025; Stamm, die Schaltzeit für neutralen Zustand (dunkelrot Drehen) und oxidierten Zustand (erblassend blau) betrug 1,4 und 1,2   s, jeweils (Fig. 4c). Bei 20 &# X00025; Stamm, die Schaltzeit für neutralen Zustand (Drehen dunkelrot) und oxidierten Zustand (erblassend blau) wurde nur leicht erhöht bei 3,1 und 1,7   s, jeweils (Fig. 4d). Sowohl die dehnbaren organischen ECD sowohl auf 0 und 20 &# X00025; Stämme zeigten stabile zyklische Schalten, und der Farbkontrast wurde bei mehr als 90 gehalten &# X00025; auch nach der Langzeitmessung (Fig. 4e, f). Darüber hinaus sind die ECD-Werte bei 50 &# X00025; Stamm zeigte die Funktion des Schaltzyklus (Supplementary Abb. 4). Jedoch wurde die Schaltgeschwindigkeit wegen des erhöhten Widerstands verschlechtert. Bemerkenswert ist, haben wir uns für die voll dehnbares ECD zu demonstrieren im Handel erhältlich P3HT zu verwenden. Wir glauben, dass Verbesserungen der Geräteleistung können durch Design und die Synthese von verbesserten elektrochromen Polymeren erreicht werden.

Figur 4: Die Eigenschaften der dehnbaren Polymerbasis ECDs.

(ein ) Das UV-VIS-Spektren der neutralen und oxidierten P3HT. (b ) Die Farbe Schaltverhalten der ECD-Werte bei 0 &# X00025; Belastung. (c ) Die vergrößerte Spektren des einzelnen Schaltzyklus bei 0 &# X00025; Belastung. (d ) Die vergrößerte Spektren des einzelnen Schaltzyklus bei 20 &# X00025; Belastung. (e ) Die zyklische Umschaltung bei 0 &# X00025; Belastung. (f ) Die zyklische Umschaltung bei 20 &# X00025; Belastung.

Um die Beziehung zwischen Belastung und elektrischen Eigenschaften der neutralen und oxidierten P3HT / SWNT Stapel in ECDs erläutern, maßen wir den Widerstand gegen Dehnung für sowohl die neutralen und oxidierten P3HT / SWNT-Filme. Die Filme wurden sowohl zuerst in dem flüssigen Elektrolyten getränkt (0,1   M LiClO 4 in CH 3 CN) 30   s vor dem Streck Messung. Figur 5a plottet den normalisierten Widerstand dieser beiden Dünnschichten bei 0 bis 100 gedehnt &# X00025; Belastung. Der Widerstand der oxidierten P3HT bei 100 &# X00025; Stamm erhöht nur

Das 1,9-fache, während die neutrale P3HT wurde erhöht

3,2fache bei 100 &# X00025; Belastung. Wir können, dass bei 20 beobachten &# X00025; Stamm, der Widerstand der oxidierten und neutralen P3HT erhöht wurde nur 1,23 und 1,12 mal im Vergleich zu seinen ursprünglichen Widerstand, respectively. Wenn wir die dünnen Schichten 50 strecken &# X00025; Stamm, der Widerstand der neutralen und oxidierten P3HT wurde auf 1,85 und 1,33-fache erhöht, respectively. Wir vermuteten, dass die viel höheren Anstieg im Widerstand der neutralen P3HT zur Verschlechterung der Schaltgeschwindigkeit von ECD bei 50 geführt &# X00025; Fleck. Die langsameren Widerstand steigt in der oxidierten P3HT Dünnfilm kann in der oxidierten P3HT Dünnschicht aufgrund der höheren Konzentrationen von Löchern sein, hilft leitfähiger Bahnen auch bei erhöhten Belastungen beizubehalten, um die Widerstandserhöhung zu hemmen. Darüber hinaus um weiter die Wirkung von Druck auf die ECD-Werte zu untersuchen, verglichen wir die Absorptionsspektren von P3HT unter verschiedenen Belastungsniveaus (Fig. 5b). Die Absorptionsschulter von P3HT bei 600   nm, typischerweise dem Aggregationszustand P3HT zugeordnet, erhöht, wenn unterworfen &# X0003E; 50 &# X00025; Belastung. Dieses Ergebnis legt nahe, dass der Anteil an aggregierten Polymers während des Streckens erhöht, höchstwahrscheinlich aufgrund der dehnungsinduzierten Kettenverlängerung und anschließende Kristallisation.

Abbildung 5: Mechanische und Absorption characteraization von ECD.

(ein ) Der Widerstand comparsion von neutralen und oxidierten P3HT für von 0 bis 100 reichen Stämmen &# X00025 ;. (b Die Absorptionsspektren von P3HT ECD bei verschiedenen Stämmen).

Ein Schlüsselparameter für tragbare Elektronik ist sein Gewicht. Um die leichte Fähigkeit zu demonstrieren, verwendeten wir einen ultradünnen 1,2 um dicken Polyethylennaphthalat (PEN) -Folie, die organischen ECDs herzustellen. Darüber hinaus hat die ultradünne PEN oder Polyethylenterephthalat die Fähigkeit, geometrische Dehnfähigkeit 11. Der Herstellungsprozess der von organischen ECDs auf PDMS-Substrat ähnlich ist gezeigt. Das Gerät wog nur 9,3   mg   cm &# X02212; 2. das leichter ist als das Gewicht einer ähnlich bemessenen Vorrichtung auf textile, beispielsweise eine herkömmliche labcoat aus Baumwoll-Polyester-Mischung hergestellt (16,7   mg   cm &# X02212; 2; Ergänzende Abb. 5). Diese Ergebnisse zeigen, dass Bio-ECD-Werte sind viel versprechend potenziell für tragbare Geräte. Als Ergebnis haben wir gezeigt, dass unsere dehnbaren organischen ECD schnelle Farb Antworten haben, sind transparent und leicht.

Chamäleon-inspirierte dehnbare E-Haut-Integration

Zur Herstellung eines Prototyps, eine integrierte dehnbare PS und dehnbar ECD, bezeichnet als &# X02018; PSEC&# X02019 ;, hergestellt wird. Der schematische Aufbau des integrierten Systems und seine schematische Schaltungsanordnung ist in Fig. 6a. Basierend auf dieser Integration können wir die Farbe steuern, indem einfach verschiedene Druckniveaus aufgebracht wird. 6b zeigt die spektroskopische Veränderung durch UV-VIS-Absorptionsspektrum, gemessen durch unterschiedliche Drücke 0-200 Anwendung   kPa. Jede der Druck angelegt wurde zuerst für 10 beibehalten   s, und die Vorrichtung wurde dann abgeschaltet, und das Absorptionsspektrum wurde anschließend gemessen. Wir beobachteten eine Absorptionsspitze bei 800   nm für die oxidierte P3HT vor jedem Druck angewendet wurde. Mit steigendem Druck beobachteten wir das Aussehen eines anderen Absorptionsmaximum bei 550   nm (was wir es aufgrund der Bildung von neutralen P3HT-Attribut), und seine Intensität wurde beobachtet mit zunehmender aufgebrachten Druck zu erhöhen. Verschiedene Absorptionsspektrum / Farben wurden verwendet, um die entsprechende Größe des angelegten Drucks zu quantifizieren. Durch Einführen verschiedener Farben der elektrochromen Polymeren könnte das System PSEC potentiell mit einer Vielzahl von Farben und, was noch wichtiger gestaltet werden, indem verschiedene Drücke moduliert werden. Als solche werden wir dann in der Lage sein, die unterschiedlichen angelegten Druckpegel über die Hautfarben zu unterscheiden. Darüber hinaus den Stromverbrauch Eigenschaft des PSEC System zu realisieren, gemessen wir, wenn die Absorptionsbande / Farbe des ECD bei natürlichen oder oxidierten Zustände. Wie Fig. 6c gezeigt, sowohl die Absorptionsbande / Farbe neutral und oxidierten P3HT kann für 6 gehalten werden   h bei Umgebungsbedingungen ohne zusätzliche Vorspannung angelegt wird. Wir beobachteten, nur einen leichten Anstieg in der Absorptionsbande des ECDs nach 1 Tag. Dies zeigt, dass unsere farbveränderliches E-Haut keine konstante Vorspannung erfordern die Farbe zu erhalten, die für das Konzept eines niedrigen Energieverbrauch e-Haut wichtig ist. Wir stellen ferner fest, dass die kommerziellen elektrochromen Polymer P3HT verwendet wurde, den Prototyp zu erzeugen. Daher kann eine weitere Verbesserung durch die Verwendung der modifizierten elektrochromen Polymere oder besser gekapselt Verarbeitung erreicht werden.

Abbildung 6: Die schematische Darstellung und Messung der integrierten Systeme.

(ein ) Der schematische Aufbau interaktiver farbveränderliches E-Haut, das Layout der Schaltung und die Fotos von PSEC. (b Die Absorptionsspektren) auf den Druck bezogen. (c ) Eigenschaften von ECD Die Retentions Farbe. (d ) Die zu den verschiedenen angelegten Drücken Absorptionsänderungen in Echtzeit entspricht, in dem jeder Druck wurde 10 mainatined   s. (e ) Die Geschwindigkeit der Farbsättigung für unterschiedliche Drücke, wurde jeder Druck, bis die Farbsättigung für alle Fälle angewandt. (f ) Die Absorption und Zeit im Vergleich zu dem Druck sowohl für den Nieder- und Hochdrucksysteme.

Als Demonstration einer E-Haut mit sowohl interaktive farbverändernde und taktil-Sensoreigenschaften, ein dehnbares PS und einem dehnbaren farb Wandelbarkeit montiert sind und auf den Bauch und den Rücken der Hand eines kommerziell erworben Teddybär (Fig. 7). Nach einem schwachen Händedruck Anwendung (

50   kPa), änderte sich die Farbe der ECD von dunkelrot bis blau grau. Loslassen des Handshake wechselt die Farbe dunkelrot, während eine starke Handshake Anwendung (

Abbildung 7: Eine interaktive farbverändernde und taktil-Sensing-e-Haut.

Sequenzielle Bilder eines Teddybären zeigen die Expression von Tastsensoren in sichtbare Farbveränderungen. Im Einzelnen wird die ursprüngliche Farbe des ECD von dunkelrot bis blau grau auf einem schwachen angelegten Druck geändert (

50   kPa), kehrt bei Druckentlastung und Änderungen an dunkelroten Rücken blau auf einem starken ausgeübten Druck zu blass (

200   kPa; von links nach rechts Bilder). Die Zahl in der unteren rechten Ecke jedes Bildes gibt die verstrichene Zeit.

Diskussion

Zusammenfassend haben wir gezeigt, erfolgreich ein Chamäleon-inspirierten dehnbare E-Haut der Lage, interaktive Farbänderungen und taktil-Sensing-Eigenschaften. Dies wurde über eine dehnbare, transparent ausgeführt und gut einstellbare Widerstands PS. Zusätzlich wurden vollständig dehnbaren organischen ECDs hergestellt und durch all-Lösungsverarbeitung gezeigt. Unserem fabriziert PS beobachtet wurde ein breites Widerstandswertebereich zu zeigen, und, was noch wichtiger ist, die Schwelle des Widerstandsschaltbereich abstimmbar ist, indem die Höhe von SWNTs auf mikrostruktureller Pyramiden modifizieren. Integration mit E-Haut gemacht und voll dehnbaren organischen ECD elektrochromatisch aktiv. Eine dehnbare farbveränderliches E-Haut mit taktil-Sensing-Steuerung wurde auch gezeigt, in dem der ausgeübte Druck auf die E-Haut direkt durch Farbänderungen ausgedrückt werden. Zuletzt haben wir gezeigt, dass diese dehnbare farbveränderliches E-Haut ihre Hautfarbe ohne ausgeübten Druck aufrecht erhalten kann, seinen geringen Stromverbrauch anzeigt. In unseren zukünftigen Studien wollen wir verschiedene Farben von elektrochromen Polymere und Array-Designs einzuführen, um eine breitere und dynamische Farbpalette für einen hohen Kontrast und eine hohe Auflösung zu ermöglichen. Solche Systeme sollten für Anwendungen in der interaktiven tragbare Geräte, militärische Anwendungen, künstliche Prothesen und intelligente Roboter vielversprechend.

Methoden

Charakterisierung

Die Absorptionsmessung wurde von Agilent Cary 6000i UV / Vis / NIR durchgeführt. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wurde unter Verwendung eines FEI Magellan 400 XHR Mikroskop mit einer 5-kV Beschleunigungsspannung und 25   pA Strom. Die Leitfähigkeit des SWNT / PDMS-Substrat wurde unter Verwendung einer Standard-Vierpunkt-Sondenverfahren bei Raumtemperatur gemessen. Der Widerstand wurde unter Verwendung eines Agilent E4980A Precision LCR-Meter erhalten. Die Strecke Eigenschaft wurde mit der hausgemachten dehnbare Station erhalten. PS cycling Messungen wurden auf einem mechanisierten durchgeführt z Achsenstufe (Newmark Systems, 0,1   mm Auflösung) und eine Kraftmessgerät (Markus 10) wurde verwendet, Lasten auf die 1 cm 2 druckempfindliche Pad auf einer speziell angefertigten Prüfstation anzuwenden. Die Belastungswerte wurden von einer Präzisionswaage erfasst.

Herstellung von PDMS-Substrat

A 10: 1-Gemisch aus PDMS-Elastomer Basis (Sylgard 184, Dow Corning) zu Härter wurde gemischt und gerührt für 2   Minute Das Gemisch wurde dann in einem Vakuum-Exsikkator evakuiert, bis die Luftblasen nicht mehr sichtbar waren. Danach wurde der PDMS-Gemisch in eine Petrischale gegossen (Durchmesser &# X0003D; 150   mm). Schließlich wurde auf einer Heizplatte platziert die Petrischale, die PDMS-Mischung, die für 8   h bei 60   &# X000B0; C, um die PDMS zu heilen. Es ist wichtig, eine ebene Fläche auf der Heizplatte zu haben, um die PDMS Dicke Einheitlichkeit zu gewährleisten.

Herstellung von pyramidenmikrostrukturierten PDMS

Eine strukturierte Silikonform (mit 34   & mgr; m Höhe, 10 &# X000D7; 10   & mgr; m 2 oben, 50 &# X000D7; 50   um 2 Basis und 41   um periodische Abstand pyramidal Mikrostruktur) wurde 5 durch Fluorierung Behandlung nach dem Sauerstoffplasma   min bei 200   W. Ein 10: 1-Gemisch aus PDMS-Elastomer Basis (Sylgard 184, Dow Corning) wurde zu Härter gemischt und 2   min und wurde dann in einem Exsikkator unter Vakuum evakuiert, bis die Luftblasen nicht mehr sichtbar waren. Die PDMS-Mischung wurde dann auf die strukturierte Silikonform. Schließlich wurde der PDMS-bedeckten Silikonform auf einer Heizplatte gelegt für 8   h bei 60   &# X000B0; C, um die PDMS zu heilen.

Herstellung von SWNT-Lösung

Arc-Entladung SWNT (2,5   mg), erworben von Carbon-Lösung, Inc (P2-SWNT) wurde in NMP dispergiert (N -Methylpyrrolidinon) (17   ml) durch die Lösung für 30 Beschallen   min in einem Ultraschallgerät (Cole Parmer) bei 30 &# X00025; Amplitude. Anschließend wurde die Lösung bei 8000 zentrifugiert   upm 30   min, und die Top-80 &# X00025; Überstand wurde zur Sprühbeschichtung extrahiert werden.

Die Sprühbeschichtung von SWNT

Die PDMS-Substrat und pyramidenmikrostrukturierten PDMS-Substrat wurden zunächst für 20 mit Ozon aktiviert   min und wurden dann bei 200 auf einer Heizplatte platziert   &# X000B0; C. Die SWNTs wurden gleichmäßig auf der Oberseite der PDMS Oberflächen in einem Abstand von sprühbeschichtet

15   cm durch einen Airbrush-Druck von 60 unter Verwendung von   p.s.i. bis der gewünschte Widerstand erreicht wurde (

2.0   k &# X02126;   sq &# X02212; 1).

Die Herstellung von dehnbaren und ultradünnem ECD

Die SWNT / PDMS Stapel wurde durch Spin-Beschichtung der P3HT (10 erstellt   mg   ml &# X02212; 1 in Chloroform) auf die SWNTs bei 1.000   upm 1   min ein Polymer-Dünnfilm zu bilden. Danach wird das Gel-Elektrolyt (LiClO 4: Poly (methylmethacrylat): PC: CH & sub3; CN &# X0003D; 3: 7: 20: 70 Gewichtsprozent) wurde mit einer Bürste auf 68 beschichtet Schließlich ist die andere SWNT-beschichteten PDMS Gegenelektrode wurde auf der P3HT-beschichteten SWNT / PDMS Substrat die ECD-Werte zu montieren gelegt. Für die ultradünnen ECD wurde der 1,2-um-PEN (Tenji Dupont Film, TeonexFilm Q70) gut auf einem PDMS-Substrat befestigt. Das Herstellungsverfahren dieser ultradünnem PEN Substrat ähnlich dem von PDMS. Der Unterschied zwischen der Verarbeitung dieser beiden Substrate ist, dass wir SWNT bei einer niedrigeren Temperatur von 140 sprühbeschichtet   &# X000B0; C auf dem PEN-Substrat aufgrund der Glasübergangstemperatur von PEN ist 155   &# X000B0; C. Wir haben eine lasergeschnittene PDMS-Membran, die S-Form als Schablonenmaske hatte, um die gemusterten ECD machen.

Die Herstellung von resistiven MTs

Die pyramiden mikrostrukturierbaren PDMS (34   & mgr; m Höhe, 10 &# X000D7; 10   & mgr; m 2 oben, 50 &# X000D7; 50   um 2 Basis und 41   um periodische Abstand) wurde unter Verwendung des gleichen Verfahrens hergestellt, wie zuvor berichtet, und über 6. 32. Eine Schicht von SWNT beschrieben wurde dann oben beschichtet gleichmäßig Gischt des pyramidenmikrostrukturierte Oberfläche PDMS. Ein Kapton-Band wurde mit verschiedenen Drücken aufgebracht (das heißt, 1, 10 und 30   kPa), um das SWNT von der pyramidal Oberfläche, bezeichnet als PS-1, PS-10 und PS-30, die jeweils zu entfernen. Schließlich ist ein weiterer SWNT / PDMS wurde als Gegenelektrode verwendet, und wurde auf die Oberseite des SWNT-beschichteten pyramidenmikrostrukturierten PDMS angeordnet, um die abstimmbare resistive PS zu geben.

PSEC Systemintegration

Das PSEC System wird durch Integrieren der dehnbaren ECD und resistive PS in einen Summierverstärker Schaltung hergestellt. Wie in Fig. 6a. Summierverstärker legt eine Vorspannung (Vbias) für die ECD-Werte als Funktion des PS Widerstand (Rps). Dieses Verhalten wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

Wie durch die Bias-Minima bestimmt zwischen neutralen und oxidierten Zustände zum Schalten V1 und V2 wurden jeweils auf &# X02212; 1 und 1   V. Beide R1 und Rf Dioden sind mit einem Widerstand von 30   k &# X02126 ;. und Rf eine Diodenwiderstand von 30   k &# X02126 ;. Rps ist der Widerstand der PS. Ohne Druck, Rps ist um mehrere Größenordnungen größer als Rf. was zu einer Vorspannung von &# X02212; 1   V. Da der Druck aufgebracht wird, Rps abnimmt, und VBias-Ansätze &# X0002B; 1   V.

Messung des Absorptionsspektrums gegenüber dem angelegten Druck

Das PSEC System wurde mit dem dehnbaren ECD und resistive PS integriert, wie oben beschrieben. Um die Auswirkungen der aufgebrachte Druck auf die Echtzeit-Absorptionsänderung zu charakterisieren, wurde die ECD angebracht auf der Dünnfilm-Stufe des Agilent Cary 6000i UV / Vis / NIR. Da unterschiedliche Drücke auf der PS angewendet wurden, kann die Farbänderung des ECD von der Agilent Cary 6000i UV / Vis / NIR gemessen werden und der aufgebrachte Druck auf die PS wurde durch ein Gleichgewicht gleichzeitig bestimmt.

Zusätzliche Information

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  1. Hängematte, M. L. Chortos, A. T, B. C.-K. Tok, J. B.-H. & Bao, Z. 25. Jahrestag Artikel: die Entwicklung der elektronischen Haut (e-Haut): eine kurze Geschichte, Design-Überlegungen, und die jüngsten Fortschritte. Adv. Mater. 25. 5997 &# X02013; 6038 (2013).
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                                                                          • Pang, C. et al. Ein flexibles und hochempfindliche DMS-Sensor mit umkehrbarer Verzahnung von Nanofasern. Nat. Mater. 11. 795 &# X02013; 801 (2012).
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                                                                            • Yamada, T. et al. Ein dehnbarer Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Dehnungssensor für den menschlichen Bewegungserkennung. Nat. Nanotechnol. 6. 296 &# X02013; 301 (2011).
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                                                                              • Tee, B. C.-K. et al. Tunable flexible Drucksensoren mit mikrostrukturierten Elastomergeometrien für intuitive Elektronik. Adv. Funkt. Mater. 24. 5427 &# X02013; 5434 (2014).
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                                                                                • Choong, C.-L. et al. Hochverstreckbare Sensoren resistiven Druck einen leitenden elastomeren Verbund auf einem micropyramid Array. Adv. Mater. 26. 3451 &# X02013; 3458 (2014).
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                                                                                  • ISI
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                                                                                  • Wang, X. Gu, Y. Xiong, Z. Cui, Z. & Zhang, T. Silk geformten flexiblen, ultrasensitiver und hochstabile elektronische Haut für den menschlichen physiologischen Signale überwachen. Adv. Mater. 26. 1336 &# X02013; 1342 (2014).
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                                                                                    • Somani, P. R. & Radhakrishnan, S. elektrochromen Materialien und Geräte: Gegenwart und Zukunft. Mater. Chem. Phys. 77. 117 &# X02013; 133 (2002).
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                                                                                      • Ma, D. Shi, G. Wang, H. Zhang, Q. & Li, Y. Hierarchical NiO Mikroflocke Filme mit hoher Effizienz Färbung, cyclischer Stabilität und geringem Stromverbrauch für den Einsatz in einer komplementären elektrochromen Vorrichtung. Nanoskalige 5. 4808 &# X02013; 4815 (2013).
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                                                                                        • Deutschmann, T. & Oesterschulze, E. Integrierte elektrochromen Vorrichtung Iris für Low-Power und platzbeschränkte Anwendungen. J. Opt. 16. 075.301 (2014).
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                                                                                          • Yan, C. et al. Stretchable und tragbar elektrochromen Vorrichtungen. ACS Nano 8 316 &# X02013; 322 (2014).
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                                                                                            • Olivier, Y. et al. 25. Jahrestag Artikel: High-mobility Loch- und Elektronentransport konjugierte Polymere: Wie Strukturfunktion definiert. Adv. Mater. 26. 2119 &# X02013; 2136 (2014).
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                                                                                              • Kerszulis, J. A. Amb, C. M. Dyer, A. L. & Reynolds, Folgen J. R. der gelben Ziegelsteinstraße: Strukturoptimierung von leuchtend gelben-zu-transmissive elektrochromen konjugierten Polymeren. Macromolecules 47. 5462 &# X02013; 5469 (2014).
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                                                                                                • Savagatrup, S. Printz, A. D. O&# X02019; Connor, T. F. Zaretski, A. V. & Lipomi, D. J. Molekular dehnbare Elektronik. Chem. Mater. 26. 3028 &# X02013; 3041 (2014).
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                                                                                                  • &# X000D6; sterholm, A. M. et al. Vier Schattierungen von Braun: Tuning von elektrochromen Polymerblends zu hohem Kontrast Brillen. ACS Appl. Mater. Schnittstellen 7. 1413 &# X02013; 1421 (2015).
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                                                                                                    • PubMed
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                                                                                                    • Ng, T. N. et al. Skalierbare gedruckte Elektronik: eine organische Decoder ferroelektrischen nichtflüchtigen Speicheradressierung. Sci. Rep. 2 585 (2012).
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                                                                                                      • PubMed
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                                                                                                      • Thakur, V. K. Ding, G. Ma, J. Lee, P. S. & Lu, X. Hybridmaterialien und Polymerelektrolyte für elektroGeräteAnwendungen. Adv. Mater. 24. 4071 &# X02013; 4096 (2012).
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                                                                                                        • Mortimer, R. J. elektrochromen Materialien. Annu. Rev. Mater. Res. 41. 241 &# X02013; 268 (2011).
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                                                                                                          • Artikel
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                                                                                                            • Beverina, L. Pagani, G. A. & Sassi, M. multichromophorer elektrochromen Polymere: Farbabstimmung von konjugierten Polymeren durch die Seitenkette Funktionalisierung Ansatz. Chem. Commun. 50. 5413 &# X02013; 5430 (2014).
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                                                                                                              • Zhu, Y. et al. Neutrale Farbabstimmung von Polymer elektrochromen Vorrichtungen einen organischen Farbstoff verwendet wird. Chem. Commun. 50. 8167 &# X02013; 8170 (2014).
                                                                                                                • CAS
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                                                                                                                  • CAS
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                                                                                                                    • CAS
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                                                                                                                      • CAS
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                                                                                                                        • CAS
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                                                                                                                          • CAS
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                                                                                                                              • CAS
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                                                                                                                                • CAS
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