仿生电子耳膜

Flexible smart sensing technology is an important research direction and competition focus of the modern information technology, which can be widely used in healthcare, human-machine interaction, internet-of-things (IoT) and many other fields. The objective of this project is to develop a novel flexible bionic nanosensor-“flexible electronic-eardrum” based on carbon nano-sensing materials. To achieve this goal, we will systematically investigate the fundamental scientific challenges such as the synthesis of the conductive ink based on carbon nanomaterials, the architecture design of the flexible device, the printing fabrication method, and the device performance.The interface structure design between nanomaterials and flexible substrates, and the relationship of “deformation-heterogeneity interface-device performance” will be the research focus. The sensing performance of the flexible electronic eardrum devices will be optimized by evaluating the sensitivity, stability, and response time etc., to achievethe high sensitivity and real-time response to different frequency and intensity of sound. Overall, this project aims to build up the innovative methodology in the novel flexible bionic sensor design, the printing fabrication method for the device preparation, and the novel sensing mechanism, and finally to establish the scientific foundation for the development of the flexible bionic sensing device.

柔性智能感知技术是现代信息技术发展的重要方向和重点竞争领域，可广泛应用于健康医疗、人机融合、物联网等领域。本项目旨在研究基于碳纳米敏感材料和柔性电子技术的新型柔性仿生传感信息器件-“仿生电子耳膜”。将系统研究碳纳米材料导电墨水可控制备、柔性微纳器件结构设计、印刷电子技术制备方法与仿生电子耳膜性能调控等方面的基础科学问题。重点研究仿生电子耳膜器件中纳米材料与柔性衬底间的界面结构的设计和构筑方法，以及形变-异质界面-器件电子学性能的关联规律。通过从灵敏度、稳定性、响应时间等多方面对柔性仿生电子耳膜器件的性能进行优化，实现柔性仿生电子耳膜对不同频率和强度声音的高灵敏实时快速检测。因此本项目将在新型柔性仿生传感器件设计构筑、印刷制备柔性电子器件方法、以及新型传感检测机制等基础层面实现原始创新，为柔性仿生信息器件的发展奠定科学技术基础。

柔性智能感知技术在健康医疗、人机融合、物联网等领域具有广泛的应用，开发新型柔性振动传感器是发展柔性智能感知技术的关键之一。本项目基于碳纳米管导电墨水可控制备、柔性微纳器件结构设计、界面调控以及印刷电子技术等方面的深入系统研究，发展了新型高性能柔性仿生振动传感器件--“仿生电子耳膜”。.在材料体系方面，探索了单分散、高稳定碳纳米管导电墨水的印刷制备方法，实现了高质量大面积碳纳米管敏感薄膜的可控制备，并通过表面微纳结构调控实现了柔性敏感薄膜表面超疏水功能；开发了具有可延展、自修复、可降解能力的新型多功能柔性衬底，并结合微机电（MEMS）加工技术实现了微纳结构化柔性衬底的可控制备。在此基础上，本项目进一步探索了新型叠层式和薄膜式柔性仿生振动传感器件--“仿生电子耳膜”的印刷制造方法，以及对声音振动信号的动态响应机理，实现了对声音振动信号的高灵敏、宽频、实时、快速感知能力（信噪比55 dB，响应时间~22.7 μs，频率范围20-22000 Hz），对未来治疗由于耳膜损伤导致耳聋的患者提供了新的思路。项目通过优化应变、延展状态下微纳结构柔性衬底与碳纳米管敏感薄膜界面处的材料结合强度，实现了器件的高稳定性。进一步，本项目通过优化材料体系并引入动态时间算法，实现了传感器对接触振动信号的响应，从而将其应用领域拓展至笔迹识别领域；通过改进叠层式器件结构，实现了传感器对动态剪切力振动信号高灵敏响应，最高可检测15 μm×15 μm高精细纹路，从而将其应用领域拓展至盲文字母辨识与区分、机器人触觉感知、智能机械手等领域。.总的来说，本项目在新型柔性振动传感器件设计构筑、印刷制备以及新型传感机制等基础研究层面创新探索，为柔性感知信息器件的发展奠定了一定的科学技术基础。项目执行期间，以通讯作者身份在Advanced Materials、Science Advances、Nano Letters、Advanced Science、Small等学术期刊上共发表SCI收录论文28篇，参加编写英文专著3章，申请发明专利10余项；研究成果被Elsevier、Materials Today、Materials Views、Nanowerk、Phys. Org、Printed Electronics World等知名学术网站作为亮点工作报道。