电子皮肤（e-skin）是一种仿生人体皮肤材料，被广泛应用于人工智能设备中，压力传感器作为电子皮肤的主要组成部分，可以实时感知压力的空间分布，其具有灵敏度高，响应/恢复快速、检测范围宽和稳定性好的特点。然而，除了感知触摸和压力外，电子皮肤需要像人类皮肤一样有感知疼痛的能力，因此迫切需要具有压力记忆功能的电子皮肤来模拟疼痛感的产生、持续和消失。此外电子皮肤可能需要在极端恶劣的环境中进行工作，例如电磁干扰（EMI）和超低温，电磁波会干扰甚至损坏精密电子设备，而超低温环境严重影响电子设备和电源系统的工作。因此，赋予电子皮肤电磁屏蔽和焦耳加热功能是非常重要的。近期，宁波大学许琳琼副教授与中科院宁波材料所郑文革研究员团队通过在PU泡沫上涂覆CNT同时用自粘聚硼硅氧烷（PBS）封装来制备压力记忆泡沫（PM泡沫），并基于PM泡沫制造了压力记忆传感器（PM传感器），首次构建了一种具有压力记忆和自恢复功能的压力传感器（图1），同时具有卓越的EMI屏蔽和焦耳加热性能，使得电子设备能够抵御极其复杂的自然环境，此外还深入研究了压力记忆传感器在电子皮肤疼痛传感中的仿生功能。该研究成果以“Polyborosiloxane-Encapsulated Carbon Nanotube/Polyurethane Foams for Multifunctional Pressure Memory and Pain
Bionic Sensors”为题发表在《ACS Applied Nano Materials》上，第一作者为宁波大学与中国科学院宁波材料技术与工程研究所联培的洪雪峰，通讯作者为中科院宁波材料所赵永青高级工程师和宁波大学的许琳琼副教授。
图2a与图2b展示了PM泡沫负载后随时间的恢复情况以及PM泡沫压力记忆功能的原理。传感器的响应（Re）定义为Re=ΔI/I0，图2c与图2e反映了不同CNT含量与不同PBS含量下Re与压力的关系，压缩时泡孔壁相互接触，这增加了CNT之间的相互接触，因此电导率增加。传感器响应线性拟合曲线的斜率表示传感器的灵敏度，同时传感器的响应与压力呈线性关系，因此对应用十分有利。图2d与图2f反映了不同CNT含量与不同PBS含量下的压力记忆时间（记忆时间被定义为传感器电流在卸载后改变到初始稳态90 %所需的时间）。图2.（a）在25 kPa压力下加载后0、120、240和360 s的PM泡沫恢复状态的照片（以PU/C-3/P-20为例）。（b）PM泡沫压力记忆功能的原理图。（c）在0-25 kPa的压力下，具有不同CNT含量的PM传感器在2.5-25 kPa范围内的响应曲线和响应拟合（虚线）。（d）不同CNT含量和PU/C-1（虚线）的PM传感器在卸载外力后的恢复曲线。（e）在0-25 kPa的压力下，不同PBS含量的PM传感器在2.5-25 kPa范围内的响应曲线和响应拟合（虚线）。（f）不同PBS含量的PM传感器在卸载外力后的恢复曲线。图3中展示了PM传感器在不同压力负载和卸载下的电流变化，同时对传感器进行循环实验可以发现传感器的初始电流和响应保持稳定，这表明传感器具有长期稳定性。此外，由于具有压力记忆功能，PM传感器可用于模拟受到冲击时疼痛感的产生、持续和消失。图3. PM传感器在不同压力负载和卸载下的响应曲线（a）和响应值以及记忆时间（b）。（c）PM传感器对150次加载和卸载循环的响应（压力和循环分别为25 kPa和10 min）。（d）PM传感器受到锤子（PU/C-3/P-20）的冲击。（e，f）PM传感器（PU/C-3/P-20）在受到不同功率冲击后的响应和恢复曲线。
【EMI屏蔽性能与焦耳加热性能】
PM泡沫的电磁屏蔽性能随着CNT含量的增加而增加，PU/C-2/P-20泡沫其SE值为20.7 dB，这意味着99 %以上的电磁波可被屏蔽，PM泡沫可能的电磁屏蔽机理如图4a所示。此外所制备的PM泡沫具有优异的焦耳加热性能，可以保证设备在极冷的环境下工作。在图4b中，PU/C-3/P-20样品在60
s内加热，并分别在2、4、6和8 V的电压下稳定在34、67、80和120 ℃。在温度稳定后施加10 N的负载3 s（图4c），由于电流和热量积累的增加，温度逐渐升高。随后由于泡沫形态恢复导致电流的减少和散热的增加，温度逐渐恢复到初始值。
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图4.（a）PM泡沫可能的EMI屏蔽机制的示意图。（b）PU/C-3/P-20在2-8 V下的温度-时间曲线。（c）PU/C-3/P-20在压缩和恢复过程中的温度-时间曲线。https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00647作者|王昊旻
校审|邢海平
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