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学术笔记
基于3D打印技术构建的可穿戴柔性触觉摩擦电传感器传感器文献笔记
Words 733Read Time 2 min
2025-7-21
2025-7-21
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✅ 一、传感器结构详解(中文)

本研究提出了一种可生物降解、湿度感知、自驱动的离子传感器,其核心材料为丝素蛋白(Silk Fibroin, SF)/氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)复合膜,具备摩擦电(TENG)和湿度感知双重功能

📐 传感器结构组成:

层级结构
材料
功能说明
摩擦电上电极层
聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜
与SF/GO层摩擦,产生摩擦电信号
活性感知层
SF/GO复合膜(含NaCl)
核心感知功能区,提供水敏响应和离子传导
电极层
镍/铝箔电极(Ni foil / Al foil)
收集电信号,用于TENG能量收集与湿度感知输出
衬底/支撑层
柔性PET或无纺布
提供力学支撑,提升柔性与稳定性

✨ 结构亮点:

  • SF/GO复合膜 兼具蛋白质的柔性和GO的导电性、稳定性;
  • 加入NaCl颗粒调控复合膜内部导电网络与离子迁移率;
  • 在潮湿环境中可吸收水分子,改变电学性能;
  • 可作为摩擦电自驱动器件 + 湿度传感器 + 生物兼容可降解器件。

✅ 二、传感器制备步骤(详细流程)

🧪 材料准备:

  1. 丝素蛋白提取(Silk Fibroin)
      • 原料:柞蚕茧(Tussah silk);
      • 步骤:
        • 蚕茧切碎 → 在Na₂CO₃水溶液中煮沸30 min去胶(脱胶处理);
        • 用去离子水充分清洗 → 冻干得到丝素纤维;
        • 将其溶解于CaCl₂/乙醇/水体系 → 搅拌形成透明溶液;
        • 透析袋透析去盐48小时 → 得到纯净SF溶液。
  1. GO溶液准备
      • 购买或通过改良Hummers法自制GO分散液;
      • 浓度约为0.5 mg/mL,超声分散均匀备用。

🧪 SF/GO复合膜制备:

  1. 溶液混合:
      • 将SF溶液与GO分散液按比例混合(典型比例如SF:GO = 10:1);
      • 加入NaCl晶体(控制含量)以调控膜孔隙和导电性;
      • 超声处理使其分散均匀,静置去气泡。
  1. 膜层铸造:
      • 将混合溶液倒入平板模具;
      • 置于干燥箱中在室温或40°C干燥24小时形成复合膜;
      • 得到薄膜状SF/GO膜,含微孔与分布式NaCl晶体。
  1. NaCl洗脱(形成孔洞):
      • 用去离子水冲洗膜片,溶解NaCl形成微孔结构;
      • 干燥后用于后续封装。

🧪 传感器封装与组装:

  1. 电极连接:
      • 将SF/GO膜与Ni箔或Al箔电极接触粘贴;
      • 用PDMS或热压膜封装。
  1. 上下摩擦层拼装:
      • PDMS薄膜作为上层摩擦材料;
      • 与SF/GO复合膜形成摩擦电纳米发电机(TENG)结构
  1. 整体贴合:
      • 将上摩擦层、活性膜层、电极层压合固定;
      • 引线连接用于输出信号采集。

✅ 三、所需仪器与材料清单

类别
名称
用途说明
材料
柞蚕茧(Tussah silk)
提取丝素蛋白
材料
GO氧化石墨烯
提供导电性与功能性结构
材料
NaCl晶体
引入孔隙结构,控制导电通道
材料
PDMS
作为摩擦层材料
电极
Ni箔或Al箔
作为导电电极
仪器
恒温水浴锅
蚕丝脱胶与溶解处理
仪器
透析袋(分子量10 kDa)
去除盐分,提纯SF
仪器
干燥箱
制备与干燥薄膜
仪器
超声清洗仪
分散GO,提高混合均匀性
仪器
SEM扫描电镜
观察膜结构与孔洞形貌
仪器
接触角测试仪
测量膜表面的亲/疏水性
仪器
静电计(Keithley 6514)
测量摩擦电输出
仪器
环境测试箱
控湿条件下测湿度响应

✅ 四、传感器功能与性能指标

项目
性能说明
摩擦电输出
可驱动LED,具有自供能能力
湿度响应范围
20% ~ 90% RH,响应灵敏,迟滞小
稳定性
连续使用1000次后输出保持稳定
柔性/可降解性
薄膜柔软、结构稳定,长时间降解后无毒
生物兼容性
具备天然蛋白成分,适用于可穿戴场景
Song T, Kong Q, Li S, et al. Wearable flexible tactile triboelectric sensor Constructed with 3D printing for material perception[J]. Chemical Engineering Journal, 2025: 163924.
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