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近日，南方科技大學材料科學與工程系教授劉瑋書課題組在電子皮膚的溫覺仿生研究方面取得新進展，相關成果以“Wide-Temperature Range Thermoregulating E-Skin Design through a Hybrid Structure of Flexible Thermoelectric Devices and PCM Heat Sink”發(fā)表在由香港理工大學與Wiley合辦的高水平綜合性期刊Ecomat上。

健康的人體擁有完整的分泌系統(tǒng)和產熱機制，無論周圍環(huán)境如何，都能使體溫保持在37℃左右。而傳統(tǒng)的電子皮膚，由于材料和結構的限制，無法像人體一樣在不同環(huán)境中保持恒定的溫度，而是與變溫動物相似，其溫度是被動地與環(huán)境溫度相關。缺乏溫度調節(jié)功能的電子皮膚，不僅會給使用者帶來危險，還可能引發(fā)不良心理后果。例如，人體接觸到附著在假肢表面的電子皮膚，人體皮膚與電子皮膚之間的溫差會使人體感到不舒服，從而削弱義肢使用者對假肢的接受程度。而具備溫度調節(jié)功能的電子皮膚可以改變假肢或機器人的溫度屬性，在高溫環(huán)境中進行冷卻，低溫環(huán)境中進行加熱，從而可以像人體一樣在不同環(huán)境下將表面維持恒定的溫度，這可以顯著提升假肢用戶的舒適度和機器人的智能程度。

圖1. 電子皮膚的溫度適應

該研究開發(fā)了一種基于柔性熱電器件和相變材料的溫度調節(jié)電子皮膚，它可以在復雜的溫度環(huán)境中提供可控的溫度適應能力，并可用于調節(jié)假肢表面的溫度，從而提高使用者的體驗。由島-橋結構組成的柔性熱電器件具有較好的彎曲能力，可以貼合在假肢表面作為溫度源，調節(jié)電子皮膚表面的溫度。而相變材料填充在高導熱的導熱膠泡沫中可為熱電器件產生的熱量提供存儲池。這種溫度調節(jié)電子皮膚具有與人體相似的卓越的溫度適應性，可在低溫環(huán)境中加熱，高溫環(huán)境中制冷，在風速為0.5 m/s、風溫為10°C時，電子皮膚的單位功率消耗為8.53 mW·cm−2·°C−1;在風速為0.5 m/s、風溫為45°C時，電子皮膚的單位功率消耗為7.3 mW·cm−2·C−1。該電子皮膚還模擬了人類皮膚的恒溫功能，在10-45°C的寬環(huán)境溫度范圍內可將表面溫度保持在35°C的舒適區(qū)域。當環(huán)境溫度低于35°C時，電子皮膚可將表面溫度保持在目標溫度2 h。而當環(huán)境溫度高于35°C時，電子皮膚的恒溫時間受限，但電子皮膚仍能在40°C風溫條件下將表面溫度維持在35℃近1.5 h。同時，電子皮膚的能量消耗趨勢與人體調節(jié)體溫所需的能量趨勢基本相同，在熱中性區(qū)最低，僅為14.22 mW·cm−2。研究人員還對溫度調節(jié)電子皮膚進行了模擬室溫和高溫環(huán)境中快速移動的測試，電子皮膚可在22°C和42°C的環(huán)境變化中，快速并且平穩(wěn)地將表面溫度維持在35°C。

圖2. 電子皮膚在循環(huán)低溫和高溫環(huán)境測試中保持靈活的溫度調節(jié)

該電子皮膚具有有效的溫度調節(jié)能力，為未來智能假肢溫度模擬提供了一種新的思路，這對提高截肢者的生活質量和進一步開展機器人仿生研究具有重要意義。