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“触”景生情的有机电子器件

发布时间:2018-09-25 访问次数:336次 来源:中国科学院化学研究所 分享:

皮肤是人们感知外界信息的重要窗口。皮肤中遍布着大量的感受器,可以灵敏地感受多种外界刺激并传递给大脑,形成感觉。研发模仿人体皮肤功能的电子皮肤深受科学家们的青睐。理想的电子皮肤不但能够模拟人体的信号感知功能,而且需要具备人类皮肤的柔软、可拉伸特性。这些问题使得电子皮肤的制备成为科学界备受关注的难题之一。以碳元素为主的有机半导体是新型的半导体材料体系,具有轻柔、价廉、生物兼容性好等特点。可以说,基于有机半导体的电子器件是构筑电子皮肤的理想载体之一。

作为逻辑电路和多种传感器的基本元件,晶体管是广泛研究的电子器件。有机场效应晶体管(OFET)具备晶体管的信号转换和信号放大功能,同时可以具有柔韧性好的特点,在智能电子皮肤方面具有重要应用潜力。对外界刺激灵敏响应的柔性传感器是电子皮肤的关键组成部分。基于有机半导体材料开发和 OFET 器件设计的雄厚基础与丰富经验,中科院化学所有机固体实验室的研究人员长期开展相关研究,发明了一系列高灵敏度传感器。除了开发出模拟人类触觉的柔性压力传感器,他们还发明了柔性气体传感器、磁场传感器。这些发明意味着,基于 OFET 的电子皮肤不但可以具有匹敌人类皮肤的触觉,还将被赋予人类皮肤所不具备的环境气体检测、磁场探测的“超能力”。这些研究成果先后发表于《自然-通讯》和《先进-材料》杂志上(Nat. Commun. 2015,6,6269;2015,6,8356; Adv. Mater.2014, 26, 2862; 2015, 27,7979; 2016, 28, 4579)。

人类皮肤中的大量感受器无时无刻不在发射信号,而大脑神经元对这些信号的智能处理,是我们理解这些信息并形成“感觉”的关键。如果把柔性传感器的开发视为发展电子皮肤的第一步的话,那么开发仿生智能信号处理电子元件,并将其和传感器进行有效集成则是模拟人类皮肤功能的高级阶段。这将会为智能皮肤和交互机器人的发展带来更多的可能和机遇。尽管相关研究从未报道并充满了挑战,然而化学所有机固体实验室的研究人员近日取得了突破,制备出基于 OFET 的新型智能元件。该元件不但能感知外部压力,同时还能对传感电信号进行类神经元功能的智能处理,模拟人类触觉。

作为神经元之间的连接元件,突触在人类大脑信号处理、形成感觉的过程中扮演着重要的角色。在这一工作中,科研人员首先制备了新型仿生信号处理元件- OFET 人工突触。这一突触元件利用 OFET 三个终端的特点,以其中一个终端控制其他两个终端的电流,模拟神经电信号在神经元之间的传递过程。通过进一步将其与 OFET 高灵敏度压力传感器集成起来,发展了智能触觉系统。不同于简单的传感器,这一触觉系统受到压力刺激时不但能将压力信号定量转换成电信号,还能对转换的动态电信号进行类神经功能处理,感知出压力刺激的持续时间,刺激频率等信息。换句话讲,当我们以大的压力或者高频率、重复的压力刺激这一系统时,它的感受便会加强,并会逐渐适应并记住这些刺激。这一成果为发展有真正“触觉”的电子皮肤以及新型智能仿生元件提供了新的思路。

这一研究发表于《先进-材料》杂志上(Adv. Mater. 2017,29, 1606088)。Nat. Rev. Mater. 杂志对这一结果进行了评述:“这一研究成果使柔性电子皮肤的发展向前迈进了一步,它能同时模拟人类皮肤的灵敏度和功能性。”(2017,doi:10.1038/natrevmats.2017.15)。

OTFT 触觉感知系统示意图