噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)構(gòu)筑蠶絲基電子皮膚的研究與創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，電子皮膚作為一種能夠模仿人類(lèi)皮膚感知外界刺激的新型電子器件，在醫(yī)療、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，吸引了眾多科研人員的廣泛關(guān)注。電子皮膚能夠感知壓力、溫度、濕度、應(yīng)變等多種物理量，并將這些外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，本質(zhì)上是一種仿生柔性觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設(shè)備表面，讓機(jī)器人感知到物體的地點(diǎn)、方位和硬度等信息，還可以模擬、換取甚至取代人體皮膚。在醫(yī)療領(lǐng)域，電子皮膚可用于健康監(jiān)測(cè)，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率、脈搏、體溫等生理參數(shù)，為疾病的早期診斷和預(yù)防提供重要依據(jù)。對(duì)于皮膚損傷患者，電子皮膚有望作為一種新型的替代材料，幫助恢復(fù)皮膚的部分功能，改善患者的生活質(zhì)量。在機(jī)器人領(lǐng)域，電子皮膚能夠賦予機(jī)器人更加靈敏的觸覺(jué)感知能力，使其在與人類(lèi)交互或操作精細(xì)任務(wù)時(shí)更加安全、可靠。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，電子皮膚的柔軟性和可拉伸性使其能夠與人體緊密貼合，為用戶(hù)提供更加舒適和便捷的使用體驗(yàn)，可應(yīng)用于智能手環(huán)、智能服裝等產(chǎn)品中。傳統(tǒng)的電子皮膚大多采用人工合成材料，如聚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸乙酯、聚二甲基硅氧烷等，這些材料在透氣性、機(jī)械柔性和生物相容性上存在一定的局限性。長(zhǎng)期佩戴可能會(huì)引起皮膚不適，甚至導(dǎo)致皮膚過(guò)敏等問(wèn)題。此外，由于這些材料的降解性不可控制，大量使用后會(huì)產(chǎn)生電子垃圾，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，開(kāi)發(fā)具有良好生物相容性、透氣性和可降解性的新型電子皮膚材料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。蠶絲作為一種天然生物材料，具有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其成為制備電子皮膚的理想候選材料。蠶絲具有良好的生物相容性，能夠與人體組織和諧共處，不會(huì)引起免疫反應(yīng)或炎癥反應(yīng)，這為電子皮膚在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力保障。其生物可降解性可控，在完成使命后可自然降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。蠶絲還具有豐富的可再生形貌結(jié)構(gòu)，如纖維、薄膜、織物等，這些不同的形貌結(jié)構(gòu)為電子皮膚的設(shè)計(jì)和制備提供了更多的可能性。而且，蠶絲具備優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，在電學(xué)方面，通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚恚Q絲可以表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性，這為電子皮膚中電極的制備提供了便利；在光學(xué)方面，蠶絲具有良好的透光性，可應(yīng)用于需要光學(xué)感知功能的電子皮膚中。盡管蠶絲在柔性電子器件領(lǐng)域具有巨大的潛力，但在蠶絲基電子皮膚的制備過(guò)程中仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中，如何在蠶絲基底上精確制備高質(zhì)量的電極是關(guān)鍵問(wèn)題之一。噴墨打印技術(shù)作為一種新興的材料制備技術(shù)，在電子皮膚領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它無(wú)需掩膜，可直接將功能性墨水打印到基底上，實(shí)現(xiàn)圖案化電極的制備，大大簡(jiǎn)化了制備工藝，降低了成本。該技術(shù)無(wú)毒，對(duì)環(huán)境友好，符合綠色化學(xué)的理念。然而，噴墨打印技術(shù)通常需要高溫后處理，以促進(jìn)基底上金屬材料的還原，這可能會(huì)對(duì)蠶絲等天然材料的結(jié)構(gòu)和性能造成損害。電沉積技術(shù)是一種通過(guò)電化學(xué)方法在電極表面沉積金屬或其他材料的技術(shù)。將電沉積技術(shù)與噴墨打印技術(shù)聯(lián)用，可以有效解決噴墨打印電極導(dǎo)電性不足和穩(wěn)定性差的問(wèn)題。先通過(guò)噴墨打印技術(shù)在蠶絲基底上制備出初步的電極圖案，然后利用電沉積技術(shù)在打印電極上沉積一層金屬，如鎳、銀等，從而提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。這種噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)為蠶絲基電子皮膚的制備提供了一種新的思路和方法，有望推動(dòng)蠶絲基電子皮膚的發(fā)展和應(yīng)用。本研究基于噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)開(kāi)展對(duì)蠶絲基電子皮膚的研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，深入研究噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)在蠶絲基電子皮膚上的應(yīng)用機(jī)制，有助于豐富和完善柔性電子器件的制備理論，為其他天然材料在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。通過(guò)對(duì)蠶絲基電子皮膚的結(jié)構(gòu)、性能及其與人體皮膚的相互作用進(jìn)行研究，可以進(jìn)一步揭示生物材料與電子器件之間的協(xié)同效應(yīng)，為開(kāi)發(fā)新型的生物電子器件奠定理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，蠶絲基電子皮膚具有良好的生物相容性、透氣性和可降解性，有望在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，如用于皮膚修復(fù)、傷口監(jiān)測(cè)、疾病診斷等。在可穿戴設(shè)備和機(jī)器人領(lǐng)域，蠶絲基電子皮膚的柔軟性和可拉伸性能夠滿(mǎn)足人體和機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)需求，提高設(shè)備的舒適性和靈活性。本研究成果將為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)支持，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著對(duì)電子皮膚需求的不斷增加，蠶絲基電子皮膚憑借其生物相容性、可降解性等優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。在國(guó)外，美國(guó)、日本、新加坡等國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)在蠶絲基電子皮膚領(lǐng)域取得了一系列重要成果。美國(guó)塔夫茨大學(xué)的DavidKaplan教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于蠶絲基材料在生物醫(yī)學(xué)和柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用研究。他們通過(guò)對(duì)蠶絲蛋白的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入研究，開(kāi)發(fā)出了多種基于蠶絲的柔性電子器件，如蠶絲基應(yīng)變傳感器、壓力傳感器等。這些器件在生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。日本的研究人員則注重將蠶絲與其他材料復(fù)合，以改善電子皮膚的性能。例如，他們通過(guò)將蠶絲與納米材料復(fù)合，制備出了具有高靈敏度和穩(wěn)定性的電子皮膚傳感器。新加坡國(guó)立大學(xué)的LiuXiangyang教授與廈門(mén)大學(xué)郭文熹副教授合作，選取蠶絲蛋白（SF）膜為電子皮膚基材，并利用聚氨酯對(duì)SF進(jìn)行改性，克服了SF基膜的脆性和較差的熱穩(wěn)定性，合成的SF復(fù)合膜（SFCM）表現(xiàn)出高透射率（>90％），出色的拉伸性（>200％），耐熱性（最高160°C），生物相容性和可控降解性。基于該SFCM，在膜的兩側(cè)分別構(gòu)建了AgNFs網(wǎng)絡(luò)和PtNFs網(wǎng)絡(luò)，分別充當(dāng)加熱器和溫度傳感器，從而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)基電子皮膚（PBES）的熱管理。國(guó)內(nèi)在蠶絲基電子皮膚研究方面也取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)張瑩瑩團(tuán)隊(duì)在蠶絲基功能材料的開(kāi)發(fā)與其柔性電子器件應(yīng)用方面做了一系列開(kāi)創(chuàng)性和探索性的工作。他們建立并發(fā)展了利用蠶絲織物制作大應(yīng)變?nèi)嵝云骷牟呗裕苽淞烁哽`敏寬響應(yīng)的應(yīng)變傳感器，并開(kāi)發(fā)了一系列其他織物基柔性可穿戴器件，如柔性能源器件、柔性織物人體電極等。該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了蠶絲基壓力傳感器，溫度-壓力雙功能電子皮膚、石墨烯-蠶絲多功能電子皮膚等。重慶大學(xué)劉玉菲和廈門(mén)大學(xué)郭文熹教授等人采用噴墨打印和電沉積耦合技術(shù)，在蠶絲纖維素和聚氨酯（SF-PU）復(fù)合薄膜上制備圖案電極。聚氨酯的加入改善了蠶絲纖維膜的化學(xué)特性，同時(shí)保持其相當(dāng)高的滲透性和生物相容性。利用這種復(fù)合薄膜，通過(guò)噴墨打印技術(shù)成功打印出不同圖案的電極，隨后在印刷電極上電沉積一層鎳（Ni），以保護(hù)電極并進(jìn)一步提高電極的導(dǎo)電性。在這些雙層圖案電極的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了用于壓力分布監(jiān)測(cè)的集成蛋白質(zhì)電子皮膚（PPES）。噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)在蠶絲基電子皮膚中的應(yīng)用研究也逐漸成為熱點(diǎn)。這種聯(lián)用技術(shù)結(jié)合了噴墨打印的圖案化優(yōu)勢(shì)和電沉積的金屬沉積優(yōu)勢(shì)，為制備高性能的蠶絲基電子皮膚電極提供了新的途徑。然而，目前該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題。一方面，噴墨打印過(guò)程中墨水的均勻性和穩(wěn)定性難以保證，可能導(dǎo)致打印圖案的精度和質(zhì)量受到影響。不同批次的墨水成分和性能可能存在差異，使得在大規(guī)模制備電子皮膚時(shí)難以保證產(chǎn)品的一致性。另一方面，電沉積過(guò)程中金屬的沉積速率和厚度控制較為困難，容易出現(xiàn)沉積不均勻或過(guò)厚、過(guò)薄等問(wèn)題。這不僅會(huì)影響電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致電子皮膚的性能下降。此外，噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)對(duì)設(shè)備和工藝的要求較高，成本相對(duì)較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在蠶絲基電子皮膚的性能方面，雖然目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有提升空間。例如，在靈敏度方面，現(xiàn)有的蠶絲基電子皮膚對(duì)于一些微小的外界刺激，如微弱的壓力變化、溫度波動(dòng)等，響應(yīng)不夠靈敏，無(wú)法滿(mǎn)足高精度監(jiān)測(cè)的需求。在響應(yīng)速度方面，部分電子皮膚在受到刺激后，信號(hào)的傳輸和處理速度較慢，不能及時(shí)準(zhǔn)確地反饋外界信息。在穩(wěn)定性方面，長(zhǎng)期使用過(guò)程中，蠶絲基電子皮膚可能會(huì)受到環(huán)境因素（如濕度、溫度、光照等）的影響，導(dǎo)致性能逐漸下降，影響其使用壽命和可靠性。而且，目前對(duì)于蠶絲基電子皮膚與人體皮膚的兼容性和相互作用機(jī)制研究還不夠深入，如何更好地實(shí)現(xiàn)蠶絲基電子皮膚與人體皮膚的無(wú)縫結(jié)合，減少對(duì)人體皮膚的不良影響，也是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本研究聚焦于基于噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)制備蠶絲基電子皮膚，主要研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面。對(duì)蠶絲材料進(jìn)行深入的預(yù)處理研究，以?xún)?yōu)化其性能，使其更適合作為電子皮膚的基底材料。研究不同的脫膠工藝對(duì)蠶絲纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響，通過(guò)改變脫膠劑的種類(lèi)、濃度、處理時(shí)間和溫度等參數(shù)，探究如何去除絲膠的同時(shí)最大程度保留蠶絲纖維的力學(xué)性能和生物相容性，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）等手段對(duì)脫膠后的蠶絲纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，分析其化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)的變化。研究蠶絲的表面改性方法，利用等離子體處理、化學(xué)接枝等技術(shù)在蠶絲表面引入特定的官能團(tuán)，增強(qiáng)其與后續(xù)制備的電極材料之間的粘附力，通過(guò)接觸角測(cè)量、X射線光電子能譜（XPS）等方法表征改性后蠶絲表面的潤(rùn)濕性和化學(xué)組成變化，評(píng)估改性效果。深入研究噴墨打印技術(shù)在蠶絲基底上制備電極的工藝參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究不同的墨水配方對(duì)打印質(zhì)量的影響，改變金屬納米粒子的濃度、分散劑的種類(lèi)和含量、溶劑的組成等，觀察打印圖案的清晰度、線條寬度和均勻性，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）分析打印電極的微觀結(jié)構(gòu)，確定最佳的墨水配方。研究打印過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，如打印速度、噴頭高度、打印層數(shù)等對(duì)電極性能的影響，通過(guò)測(cè)試電極的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，優(yōu)化打印工藝參數(shù)，采用四探針?lè)y(cè)量電極的電阻率，評(píng)估不同工藝參數(shù)下電極的導(dǎo)電性。在噴墨打印電極的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究電沉積工藝對(duì)電極性能的提升作用。探究電沉積過(guò)程中電解液的組成對(duì)沉積效果的影響，改變金屬鹽的種類(lèi)、濃度、絡(luò)合劑的添加量等，觀察電沉積后電極的表面形貌、金屬沉積厚度和均勻性，利用SEM和能譜分析（EDS）表征電沉積電極的微觀結(jié)構(gòu)和元素組成，確定合適的電解液組成。研究電沉積的工藝條件，如沉積電壓、電流密度、沉積時(shí)間等對(duì)電極性能的影響，通過(guò)測(cè)試電極的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度等性能指標(biāo)，優(yōu)化電沉積工藝條件，采用拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)評(píng)估電極的機(jī)械強(qiáng)度，研究其在不同變形條件下的性能變化。全面表征蠶絲基電子皮膚的各項(xiàng)性能，并對(duì)其性能提升機(jī)制進(jìn)行深入分析。測(cè)試電子皮膚的靈敏度，通過(guò)施加不同大小的壓力、應(yīng)變等外界刺激，測(cè)量電子皮膚的電信號(hào)響應(yīng)，計(jì)算其靈敏度，分析影響靈敏度的因素，如電極結(jié)構(gòu)、材料特性等。研究電子皮膚的響應(yīng)速度，記錄外界刺激施加后電信號(hào)的變化時(shí)間，評(píng)估其響應(yīng)速度，通過(guò)優(yōu)化電極材料和結(jié)構(gòu)，提高電子皮膚的響應(yīng)速度。測(cè)試電子皮膚的穩(wěn)定性，在不同的環(huán)境條件下，如溫度、濕度、光照等，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)電子皮膚的性能變化，分析其穩(wěn)定性，研究如何通過(guò)材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高電子皮膚的穩(wěn)定性。利用多種表征手段，如SEM、FT-IR、XPS等，分析蠶絲基電子皮膚的結(jié)構(gòu)和組成，探究其性能提升的機(jī)制，為進(jìn)一步優(yōu)化電子皮膚的性能提供理論依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用和性能提升兩個(gè)方面。在技術(shù)應(yīng)用上，創(chuàng)新性地將噴墨打印和電沉積兩種技術(shù)聯(lián)用，應(yīng)用于蠶絲基電子皮膚的制備。這種聯(lián)用技術(shù)充分發(fā)揮了噴墨打印的圖案化優(yōu)勢(shì)和電沉積的金屬沉積優(yōu)勢(shì)，為制備高性能的蠶絲基電子皮膚電極提供了新的途徑。相較于傳統(tǒng)的單一制備技術(shù)，聯(lián)用技術(shù)能夠在蠶絲基底上精確制備出具有良好導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的電極，有效解決了噴墨打印電極導(dǎo)電性不足和穩(wěn)定性差的問(wèn)題。在性能提升方面，通過(guò)對(duì)蠶絲材料的預(yù)處理、噴墨打印和電沉積工藝參數(shù)的優(yōu)化，制備出的蠶絲基電子皮膚在靈敏度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在靈敏度方面，能夠?qū)ξ⑿〉耐饨绱碳ぷ龀鲮`敏響應(yīng)，滿(mǎn)足高精度監(jiān)測(cè)的需求；在響應(yīng)速度方面，信號(hào)傳輸和處理速度快，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反饋外界信息；在穩(wěn)定性方面，能夠在不同的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的性能，延長(zhǎng)使用壽命。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1蠶絲基材料特性2.1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)蠶絲是一種天然蛋白質(zhì)纖維，主要由絲素和絲膠組成。從微觀角度來(lái)看，絲素蛋白是蠶絲的主要成分，約占蠶絲重量的70%-80%，其基本結(jié)構(gòu)單元是α-氨基酸，這些氨基酸通過(guò)肽鍵連接形成多肽鏈。多肽鏈進(jìn)一步折疊、纏繞，形成了復(fù)雜的蛋白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)。絲素蛋白分子鏈中存在著結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)由規(guī)整排列的β-折疊片層結(jié)構(gòu)組成，賦予蠶絲較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；非結(jié)晶區(qū)則由無(wú)規(guī)線團(tuán)和少量的α-螺旋結(jié)構(gòu)組成，使蠶絲具有一定的柔韌性和彈性。這種結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)共存的結(jié)構(gòu)，決定了蠶絲獨(dú)特的力學(xué)性能。在納米尺度下，蠶絲纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特征，包括晶格缺陷、晶界等，這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)蠶絲的性能有著重要影響。晶格缺陷可能會(huì)影響蠶絲的電學(xué)性能，晶界則會(huì)影響蠶絲的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。蠶絲纖維的無(wú)定形結(jié)構(gòu)在納米尺度下也呈現(xiàn)出更為精細(xì)的分布和組成，對(duì)蠶絲纖維的性能產(chǎn)生影響。無(wú)定形結(jié)構(gòu)中的分子鏈柔性和剛性等因素，會(huì)影響蠶絲的柔韌性和吸濕性。從宏觀角度來(lái)看，蠶絲纖維呈現(xiàn)長(zhǎng)而連續(xù)的圓柱形，直徑在幾微米到幾十微米之間。蠶絲纖維表面光滑，具有明顯的橫紋，這些橫紋是蠶絲纖維的螺旋結(jié)構(gòu)所形成的，對(duì)蠶絲的光學(xué)性能和手感有一定影響。由于橫紋的存在，蠶絲在光線照射下會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的光澤，使其在紡織領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。蠶絲纖維內(nèi)部的分子鏈具有高度的取向性，這種取向性結(jié)構(gòu)使得蠶絲纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能。在拉伸過(guò)程中，分子鏈能夠沿著拉伸方向排列，從而提高蠶絲的強(qiáng)度和模量。絲膠包裹在絲素蛋白外層，約占蠶繭重量的20%-30%，是由小分子氨基酸物質(zhì)組成的一種天然大分子蛋白，相對(duì)分子質(zhì)量為1.4-31.4萬(wàn)。絲膠對(duì)絲素起到保護(hù)和膠粘作用，在蠶絲的加工過(guò)程中，絲膠的存在會(huì)影響蠶絲的性能和加工工藝。在脫膠處理時(shí)，需要去除絲膠以獲得純凈的絲素纖維，從而改善蠶絲的手感和染色性能。2.1.2性能優(yōu)勢(shì)蠶絲基材料具有出色的生物相容性，這使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和可穿戴設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。絲素蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)與人體組織中的蛋白質(zhì)相似，其表面的氨基酸殘基能夠與細(xì)胞表面的受體相互作用，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和增殖。研究表明，將蠶絲基材料用于細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞能夠在其表面良好地鋪展和生長(zhǎng)，且不會(huì)引起明顯的免疫反應(yīng)。在皮膚組織工程中，蠶絲基材料可作為皮膚替代物，為皮膚細(xì)胞的生長(zhǎng)提供支撐，促進(jìn)皮膚的修復(fù)和再生。這是因?yàn)樾Q絲基材料能夠模擬皮膚的天然結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，為細(xì)胞提供適宜的生長(zhǎng)條件。在機(jī)械性能方面，蠶絲基材料展現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和柔韌性。蠶絲纖維的結(jié)晶區(qū)賦予其較高的拉伸強(qiáng)度，能夠承受一定程度的外力拉伸而不發(fā)生斷裂。研究數(shù)據(jù)表明，蠶絲纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)0.3-0.6GPa，這使得蠶絲基電子皮膚在實(shí)際應(yīng)用中能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，不易損壞。蠶絲纖維的非結(jié)晶區(qū)賦予其良好的柔韌性，使其能夠彎曲、折疊而不影響其性能。這種柔韌性使得蠶絲基電子皮膚能夠與人體皮膚緊密貼合，跟隨人體的運(yùn)動(dòng)而變形，為用戶(hù)提供舒適的佩戴體驗(yàn)。透氣性是蠶絲基材料的又一顯著優(yōu)勢(shì)。蠶絲纖維內(nèi)部存在著許多微孔和空隙，這些微觀結(jié)構(gòu)為氣體和水分的傳輸提供了通道。研究發(fā)現(xiàn)，蠶絲織物的透氣率可達(dá)500-1000mm/s，能夠保證皮膚表面的氣體交換和汗液蒸發(fā)，保持皮膚的干爽和舒適。對(duì)于電子皮膚來(lái)說(shuō)，良好的透氣性能夠避免因皮膚長(zhǎng)時(shí)間被覆蓋而導(dǎo)致的悶熱、潮濕等問(wèn)題，減少皮膚疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。在可穿戴設(shè)備中，蠶絲基電子皮膚的透氣性能夠提高用戶(hù)的佩戴舒適度，延長(zhǎng)使用時(shí)間。此外，蠶絲基材料還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在一定程度上抵抗化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，保證電子皮膚在不同環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。在酸堿環(huán)境中，蠶絲基材料能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，不會(huì)發(fā)生明顯的降解或化學(xué)反應(yīng)。蠶絲基材料還具有可降解性，在自然環(huán)境中，蠶絲能夠在微生物的作用下逐漸分解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。2.2噴墨打印技術(shù)原理及應(yīng)用2.2.1工作原理噴墨打印技術(shù)作為一種重要的材料圖案化制備技術(shù)，其基本原理是將功能性墨水以微小液滴的形式精確噴射到基底表面，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的噴頭運(yùn)動(dòng)，在基底上形成預(yù)定的圖案。目前，噴墨打印技術(shù)主要分為連續(xù)噴墨和按需噴墨兩種類(lèi)型。連續(xù)噴墨技術(shù)（ContinuousInkjet,CIJ）是最早發(fā)展起來(lái)的噴墨打印技術(shù)之一。在連續(xù)噴墨系統(tǒng)中，墨水在壓力作用下從噴頭的小孔中連續(xù)噴出，形成穩(wěn)定的墨水流。通過(guò)對(duì)墨水流施加高頻振動(dòng)，使其斷裂成一系列均勻的微小液滴。這些液滴在通過(guò)一個(gè)充電電極時(shí)，根據(jù)需要被賦予不同的電荷。隨后，液滴進(jìn)入一個(gè)靜電偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下，帶電液滴按照預(yù)定的軌跡被引導(dǎo)到基底上，形成圖案；而不帶電的液滴則被收集并回收再利用。連續(xù)噴墨技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是打印速度快，適用于大規(guī)模的圖案化制備，但設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，墨水利用率較低。按需噴墨技術(shù)（Drop-on-Demand,DOD）是目前應(yīng)用更為廣泛的噴墨打印技術(shù)。根據(jù)激發(fā)墨滴產(chǎn)生的方式不同，按需噴墨技術(shù)又可分為熱噴墨（ThermalInkjet）和壓電噴墨（PiezoelectricInkjet）。熱噴墨技術(shù)的工作原理基于熱氣泡效應(yīng)。在噴頭內(nèi)部，有一個(gè)微小的加熱元件，當(dāng)需要噴射墨滴時(shí)，通過(guò)對(duì)加熱元件施加瞬間的高電壓，使其溫度迅速升高，墨水在高溫作用下迅速汽化，形成微小的氣泡。氣泡的膨脹產(chǎn)生壓力，將墨水從噴頭的噴嘴中擠出，形成墨滴噴射到基底上。隨著氣泡的冷卻和收縮，墨水被吸入噴頭，為下一次噴射做好準(zhǔn)備。熱噴墨技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，打印速度較快；但其缺點(diǎn)是高溫可能會(huì)對(duì)墨水的成分和性能產(chǎn)生影響，且噴頭的使用壽命相對(duì)較短。壓電噴墨技術(shù)則是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)墨滴的噴射。在噴頭中，壓電材料通常被制成薄膜或塊狀，當(dāng)在壓電材料上施加電壓時(shí)，壓電材料會(huì)發(fā)生形變。通過(guò)精確控制電壓的大小和時(shí)間，使壓電材料產(chǎn)生不同程度的形變，從而推動(dòng)墨水從噴嘴中擠出形成墨滴。壓電噴墨技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠精確控制墨滴的大小和噴射位置，對(duì)墨水的適應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì)因高溫而影響墨水性能；但其噴頭結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高。此外，還有一種基于電流體動(dòng)力學(xué)（Electrohydrodynamics,EHD）的噴墨原理，也逐漸受到關(guān)注。在EHD噴墨系統(tǒng)中，噴頭與基底之間施加一個(gè)高電壓，形成強(qiáng)電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時(shí)，墨水在電場(chǎng)力的作用下在噴頭尖端形成泰勒錐。隨著電場(chǎng)力的進(jìn)一步作用，泰勒錐頂端的墨水被拉伸并斷裂，形成微小的帶電墨滴噴射到基底上。EHD噴墨技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的墨滴噴射，適用于制備高精度的圖案和微納結(jié)構(gòu)；但其缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備和工藝的要求較高，打印速度相對(duì)較慢。2.2.2在電子皮膚制備中的應(yīng)用案例與優(yōu)勢(shì)噴墨打印技術(shù)在電子皮膚制備領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景，為制備高性能的電子皮膚電極和傳感器提供了新的途徑。許多研究團(tuán)隊(duì)利用噴墨打印技術(shù)成功制備了各種類(lèi)型的電子皮膚電極，取得了顯著的成果。重慶大學(xué)劉玉菲和廈門(mén)大學(xué)郭文熹教授等人采用噴墨打印和電沉積耦合技術(shù)，在蠶絲纖維素和聚氨酯（SF-PU）復(fù)合薄膜上制備圖案電極。他們利用噴墨打印技術(shù)在SF-PU復(fù)合薄膜上成功打印出不同圖案的電極，隨后在印刷電極上電沉積一層鎳（Ni），以保護(hù)電極并進(jìn)一步提高電極的導(dǎo)電性?；谶@些雙層圖案電極，開(kāi)發(fā)出了用于壓力分布監(jiān)測(cè)的集成蛋白質(zhì)電子皮膚（PPES）。這種噴墨和電沉積（IJ-ED）耦合技術(shù)特別有利于制造下一代體內(nèi)/體外生物電子設(shè)備。在另一項(xiàng)研究中，有團(tuán)隊(duì)通過(guò)噴墨打印技術(shù)將銀納米線墨水打印在柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上，制備出了高導(dǎo)電性的電極。該電極在拉伸和彎曲等變形條件下仍能保持良好的導(dǎo)電性，可用于制備可穿戴的電子皮膚傳感器。還有研究利用噴墨打印技術(shù)將碳納米管墨水打印在蠶絲織物上，制備出了具有良好柔韌性和導(dǎo)電性的蠶絲基電子皮膚電極。這種電極不僅具有優(yōu)異的電學(xué)性能，還保留了蠶絲織物的天然特性，如生物相容性和透氣性。噴墨打印技術(shù)在電子皮膚制備中具有諸多優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)具有成本低的顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的光刻、蒸鍍等制備技術(shù)相比，噴墨打印無(wú)需昂貴的掩膜和復(fù)雜的真空設(shè)備，大大降低了制備成本。這使得噴墨打印技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)電子皮膚時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)可行性，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)低成本電子皮膚的需求。噴墨打印技術(shù)具有高精度的特點(diǎn)。它能夠精確控制墨滴的大小和噴射位置，實(shí)現(xiàn)高精度的圖案化制備。通過(guò)優(yōu)化打印參數(shù)和墨水配方，噴墨打印可以制備出線條寬度在微米甚至納米級(jí)別的電極圖案，滿(mǎn)足電子皮膚對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的要求。這種高精度的制備能力有助于提高電子皮膚的性能和靈敏度。該技術(shù)還具有良好的材料兼容性。它可以使用多種功能性墨水，如金屬納米粒子墨水、碳納米材料墨水、導(dǎo)電聚合物墨水等，能夠?qū)⒉煌牧系膬?yōu)異性能集成到電子皮膚中。通過(guò)選擇合適的墨水和基底材料，可以制備出具有不同功能的電子皮膚，如壓力傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器等。噴墨打印技術(shù)具有無(wú)掩膜、圖案化靈活的優(yōu)勢(shì)。它可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程直接在基底上打印出各種復(fù)雜的圖案，無(wú)需繁瑣的掩膜制作和光刻工藝。這使得電子皮膚的設(shè)計(jì)和制備更加靈活高效，能夠快速響應(yīng)不同的應(yīng)用需求。在制備具有個(gè)性化圖案的電子皮膚時(shí)，噴墨打印技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)。2.3電沉積技術(shù)原理及應(yīng)用2.3.1工作原理電沉積技術(shù)，又稱(chēng)為電鍍，是一種利用電化學(xué)原理在固體表面沉積金屬或其他材料的過(guò)程。其基本工作原理基于法拉第定律，即在電場(chǎng)的作用下，電解液中的金屬離子在陰極表面獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，從而沉積在陰極上形成金屬鍍層。以在蠶絲基底上沉積金屬鎳為例，在電沉積過(guò)程中，通常使用含有鎳離子（Ni2?）的電解液，如硫酸鎳（NiSO?）溶液。將蠶絲基底作為陰極，與電源的負(fù)極相連；選擇一個(gè)不溶性陽(yáng)極，如鉑電極或石墨電極，與電源的正極相連。當(dāng)接通電源后，在電場(chǎng)的作用下，電解液中的鎳離子（Ni2?）會(huì)向陰極（蠶絲基底）移動(dòng)，在陰極表面得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)：Ni2?+2e?→Ni，從而在蠶絲基底上沉積出金屬鎳。在電沉積過(guò)程中，涉及到一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程。首先是離子的遷移，電解液中的金屬離子在電場(chǎng)力的作用下，克服溶液的阻力向陰極移動(dòng)。離子遷移的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度、離子濃度、離子電荷數(shù)以及溶液的黏度等因素有關(guān)。其次是電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，金屬離子在陰極表面得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，這一過(guò)程需要克服一定的活化能。電子轉(zhuǎn)移的速率受到電極材料、電極表面狀態(tài)、溫度等因素的影響。還存在著電結(jié)晶過(guò)程，沉積的金屬原子在陰極表面聚集、排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。電結(jié)晶的過(guò)程包括晶核的形成和晶體的生長(zhǎng)，晶核的形成速率和晶體的生長(zhǎng)速率會(huì)影響金屬鍍層的質(zhì)量和性能。電沉積過(guò)程中的電流效率是一個(gè)重要的參數(shù)，它表示實(shí)際沉積的金屬質(zhì)量與根據(jù)法拉第定律計(jì)算出的理論沉積金屬質(zhì)量之比。在實(shí)際電沉積過(guò)程中，由于存在副反應(yīng)，如氫氣的析出等，電流效率通常小于100%。以在酸性電解液中電沉積鎳為例，可能會(huì)發(fā)生氫氣的析出反應(yīng)：2H?+2e?→H?↑，這會(huì)消耗一部分電流，降低電流效率。為了提高電流效率，需要優(yōu)化電沉積工藝條件，如控制電解液的pH值、溫度、電流密度等。通過(guò)調(diào)整電解液的pH值，可以減少氫氣的析出，提高電流效率。在合適的pH值范圍內(nèi)，金屬離子的還原反應(yīng)更容易發(fā)生，而氫氣的析出反應(yīng)受到抑制。2.3.2在電子皮膚制備中的應(yīng)用案例與優(yōu)勢(shì)電沉積技術(shù)在電子皮膚制備領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要的應(yīng)用價(jià)值，為提升電子皮膚的性能提供了有力支持。許多研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電沉積技術(shù)在電子皮膚的電極制備方面取得了顯著成果。重慶大學(xué)劉玉菲和廈門(mén)大學(xué)郭文熹教授等人采用噴墨打印和電沉積耦合技術(shù)，在蠶絲纖維素和聚氨酯（SF-PU）復(fù)合薄膜上制備圖案電極。他們先利用噴墨打印技術(shù)在SF-PU復(fù)合薄膜上打印出銀電極圖案，然后通過(guò)電沉積技術(shù)在打印的銀電極上沉積一層鎳，制備出了具有良好導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的雙層圖案電極。這種雙層電極結(jié)構(gòu)能夠有效保護(hù)內(nèi)部的銀電極，提高電極的抗腐蝕能力，進(jìn)一步提高電極的導(dǎo)電性，降低電極電阻，從而提升電子皮膚的傳感性能。在另一項(xiàng)研究中，有團(tuán)隊(duì)通過(guò)電沉積技術(shù)在柔性聚酰亞胺（PI）基底上沉積金納米顆粒，制備出了高靈敏度的壓力傳感器電極。該電極能夠?qū)ξ⑿〉膲毫ψ兓龀隹焖夙憫?yīng)，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性。還有研究利用電沉積技術(shù)在碳納米管薄膜上沉積銅，制備出了具有良好柔韌性和導(dǎo)電性的復(fù)合電極，可用于制備可拉伸的電子皮膚。這種復(fù)合電極結(jié)合了碳納米管的高柔韌性和銅的良好導(dǎo)電性，在拉伸過(guò)程中仍能保持穩(wěn)定的電學(xué)性能。電沉積技術(shù)在電子皮膚制備中具有諸多優(yōu)勢(shì)。它能夠顯著提高電子皮膚電極的導(dǎo)電性。通過(guò)電沉積在電極表面沉積一層高導(dǎo)電性的金屬，如銀、銅、鎳等，可以有效降低電極的電阻，提高電子皮膚的信號(hào)傳輸效率。在一些對(duì)導(dǎo)電性要求較高的電子皮膚應(yīng)用中，如可穿戴的生物電監(jiān)測(cè)設(shè)備，電沉積技術(shù)能夠確保電極與皮膚之間良好的電接觸，準(zhǔn)確地采集生物電信號(hào)。電沉積技術(shù)可以增強(qiáng)電極的穩(wěn)定性。金屬鍍層能夠保護(hù)電極免受外界環(huán)境的影響，如氧化、腐蝕等，延長(zhǎng)電極的使用壽命。在潮濕的環(huán)境中，電沉積的金屬鍍層可以防止電極材料的氧化，保證電子皮膚的性能穩(wěn)定。該技術(shù)還具有可調(diào)控性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)整電沉積的工藝參數(shù)，如電解液組成、沉積電壓、電流密度、沉積時(shí)間等，可以精確控制金屬鍍層的厚度、結(jié)構(gòu)和性能，滿(mǎn)足不同電子皮膚的設(shè)計(jì)需求。在制備需要高精度電極的電子皮膚時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化電沉積參數(shù)，制備出具有特定厚度和性能的金屬鍍層。電沉積技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電極表面形貌的調(diào)控。通過(guò)控制電沉積過(guò)程中的成核和生長(zhǎng)速率，可以在電極表面形成納米級(jí)或微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，增加電極的比表面積，提高電極與皮膚之間的粘附力，增強(qiáng)電子皮膚的傳感性能。在制備壓力傳感器時(shí)，通過(guò)電沉積在電極表面形成納米級(jí)的凸起結(jié)構(gòu)，可以增加電極與壓力敏感材料之間的接觸面積，提高傳感器的靈敏度。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)采用桑蠶絲作為主要的蠶絲基材料。桑蠶絲具有來(lái)源廣泛、價(jià)格相對(duì)低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是制備蠶絲基電子皮膚的理想選擇。為了去除蠶絲表面的絲膠，提高其性能和后續(xù)加工的便利性，需要對(duì)桑蠶絲進(jìn)行脫膠處理。選用碳酸鈉（Na?CO?）作為脫膠劑，其濃度為0.5wt%。將桑蠶絲放入含有脫膠劑的溶液中，在95-100℃的溫度下處理30-60分鐘。脫膠過(guò)程中，絲膠在堿性條件下發(fā)生水解反應(yīng)，逐漸溶解于溶液中。脫膠完成后，用去離子水反復(fù)沖洗蠶絲，直至沖洗液呈中性，以去除殘留的脫膠劑和絲膠。將脫膠后的蠶絲在60℃的烘箱中干燥2-3小時(shí)，使其含水量保持在較低水平，便于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于金屬鹽溶液，選擇硝酸銀（AgNO?）作為噴墨打印制備銀電極的前驅(qū)體。硝酸銀在溶液中能夠完全電離，提供大量的銀離子（Ag?），在后續(xù)的打印和處理過(guò)程中，銀離子可以被還原為銀原子，形成導(dǎo)電的銀電極。將硝酸銀溶解于去離子水中，配制成濃度為0.1-0.3mol/L的溶液。為了提高溶液的穩(wěn)定性和均勻性，在配制過(guò)程中，使用磁力攪拌器在室溫下攪拌30-60分鐘，確保硝酸銀充分溶解。在電沉積過(guò)程中，選用硫酸鎳（NiSO?）溶液作為鎳離子的來(lái)源。硫酸鎳溶液具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，能夠?yàn)殡姵练e提供穩(wěn)定的鎳離子供應(yīng)。將硫酸鎳溶解于去離子水中，配制成濃度為0.2-0.4mol/L的溶液。為了控制電沉積過(guò)程中的反應(yīng)速率和鍍層質(zhì)量，在溶液中添加適量的硼酸（H?BO?）作為緩沖劑，其濃度為0.3-0.5mol/L。硼酸能夠調(diào)節(jié)溶液的pH值，使其保持在合適的范圍內(nèi)，從而促進(jìn)電沉積反應(yīng)的順利進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，還需要使用一些溶劑來(lái)溶解和分散各種材料。去離子水是最常用的溶劑之一，用于溶解金屬鹽、配制溶液以及清洗樣品等。其高純度能夠避免雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。對(duì)于一些不易溶于水的材料，如某些有機(jī)添加劑，使用無(wú)水乙醇作為溶劑。無(wú)水乙醇具有良好的溶解性和揮發(fā)性，能夠快速溶解有機(jī)物質(zhì)，并在后續(xù)的處理過(guò)程中迅速揮發(fā)，不會(huì)殘留雜質(zhì)。在制備墨水時(shí)，有時(shí)會(huì)使用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑。NMP具有較高的沸點(diǎn)和良好的溶解性，能夠有效地分散金屬納米粒子等材料，提高墨水的穩(wěn)定性和打印性能。在使用這些溶劑時(shí)，需要注意其純度和儲(chǔ)存條件，確保其質(zhì)量符合實(shí)驗(yàn)要求。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法3.2噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)流程3.2.1噴墨打印工藝參數(shù)優(yōu)化為了在蠶絲基底上制備出高質(zhì)量的電極圖案，需要對(duì)噴墨打印的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在電壓參數(shù)方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴頭電壓的高低對(duì)噴墨量有著顯著影響。當(dāng)電壓較低時(shí)，如低于28V，噴頭內(nèi)部壓電陶瓷的彎曲度較小，噴墨量較少，導(dǎo)致打印出的電極線條較細(xì)，甚至可能出現(xiàn)斷墨現(xiàn)象，影響電極的導(dǎo)電性和連續(xù)性。隨著電壓的升高，如高于32V，雖然噴墨量會(huì)增加，但過(guò)高的電壓會(huì)使噴頭壓電陶瓷處于高頻振蕩狀態(tài)，容易導(dǎo)致噴頭疲勞和損傷，縮短噴頭的使用壽命。同時(shí)，過(guò)高的電壓還可能使墨水噴濺，導(dǎo)致打印圖案的精度下降。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定28-32V之間的噴頭工作電壓較為適宜，能夠在保證打印質(zhì)量的前提下，延長(zhǎng)噴頭的使用壽命。在頻率參數(shù)方面，頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致墨滴之間的間隔過(guò)小，容易出現(xiàn)墨滴重疊的現(xiàn)象，使打印圖案變得模糊，影響電極的分辨率。而頻率過(guò)低則會(huì)使墨滴之間的間隔過(guò)大，導(dǎo)致電極線條不連續(xù)，降低電極的導(dǎo)電性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同的頻率值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率在10-30kHz之間時(shí)，能夠獲得較為清晰和連續(xù)的打印圖案。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，墨滴能夠均勻地噴射到蠶絲基底上，形成的電極線條具有較好的精度和導(dǎo)電性。噴頭高度也是影響打印質(zhì)量的重要參數(shù)之一。噴頭高度過(guò)高，墨水在噴射過(guò)程中會(huì)受到空氣阻力的影響，導(dǎo)致墨滴的飛行軌跡不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生偏差，使打印圖案的邊界模糊，精度較差。而且，噴頭高度過(guò)高還會(huì)使墨水在到達(dá)蠶絲基底時(shí)的速度降低，影響墨水與基底的附著力，導(dǎo)致電極的牢固性下降。噴頭高度過(guò)低則容易使噴頭與蠶絲基底接觸，造成噴頭堵塞，影響打印的正常進(jìn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定噴頭高度在0.5-1.5mm之間較為合適，能夠保證打印圖案的精度和質(zhì)量。在這個(gè)高度范圍內(nèi)，墨水能夠穩(wěn)定地噴射到蠶絲基底上，形成清晰、準(zhǔn)確的電極圖案。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同工藝參數(shù)下打印電極的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化后的參數(shù)能夠制備出高質(zhì)量的電極。在優(yōu)化后的參數(shù)下，打印出的電極線條寬度均勻，表面光滑，沒(méi)有明顯的缺陷和孔洞，這為后續(xù)的電沉積工藝提供了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)四探針?lè)y(cè)量電極的電阻率，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的電極具有較低的電阻率，表明其導(dǎo)電性得到了有效提高。3.2.2電沉積工藝參數(shù)優(yōu)化在電沉積工藝中，電流密度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)沉積層質(zhì)量有著重要影響。當(dāng)電流密度過(guò)低時(shí)，如小于5mA/cm2，金屬離子在陰極表面的還原速度較慢，導(dǎo)致沉積速率低，沉積層厚度薄，無(wú)法滿(mǎn)足電子皮膚對(duì)電極導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的要求。隨著電流密度的增加，沉積速率會(huì)加快，但當(dāng)電流密度過(guò)高時(shí)，如大于20mA/cm2，會(huì)導(dǎo)致電極表面的金屬離子還原速度過(guò)快，產(chǎn)生大量的晶核，這些晶核在生長(zhǎng)過(guò)程中容易相互碰撞，形成疏松的沉積層，出現(xiàn)燒焦、氣孔等缺陷，降低沉積層的質(zhì)量和性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同電流密度下的沉積效果，確定10-15mA/cm2的電流密度較為合適，能夠在保證沉積速率的同時(shí)，獲得質(zhì)量良好的沉積層。在這個(gè)電流密度范圍內(nèi)，金屬離子能夠均勻地在電極表面還原沉積，形成致密、均勻的金屬鍍層，提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。沉積時(shí)間也是影響沉積層質(zhì)量的重要因素。沉積時(shí)間過(guò)短，如小于10分鐘，沉積層厚度不足，無(wú)法有效提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，沉積層厚度會(huì)增加，但當(dāng)沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，如大于30分鐘，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度沉積，使沉積層變得粗糙，出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，影響電極的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同的沉積時(shí)間，發(fā)現(xiàn)15-25分鐘的沉積時(shí)間能夠使沉積層達(dá)到合適的厚度，且具有較好的質(zhì)量。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，金屬離子能夠充分地在電極表面沉積，形成厚度適中、質(zhì)量穩(wěn)定的金屬鍍層，滿(mǎn)足電子皮膚對(duì)電極的要求。溫度對(duì)電沉積過(guò)程也有一定的影響。溫度過(guò)低，如低于20℃，電解液的黏度會(huì)增加，金屬離子的擴(kuò)散速度減慢，導(dǎo)致沉積速率降低，沉積層的均勻性變差。溫度過(guò)高，如高于40℃，可能會(huì)使電解液中的金屬離子發(fā)生水解反應(yīng)，影響沉積層的質(zhì)量，還可能導(dǎo)致氫氣的析出增加，降低電流效率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同溫度下的電沉積效果，確定25-35℃的溫度范圍較為適宜，能夠保證電沉積過(guò)程的順利進(jìn)行，獲得高質(zhì)量的沉積層。在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，電解液的黏度適中，金屬離子的擴(kuò)散速度和還原速度較為匹配，能夠形成均勻、致密的金屬鍍層，提高電極的性能。通過(guò)能譜分析（EDS）和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)不同工藝參數(shù)下電沉積電極的微觀結(jié)構(gòu)和元素組成進(jìn)行表征，驗(yàn)證了優(yōu)化后的參數(shù)能夠制備出高質(zhì)量的沉積層。在優(yōu)化后的參數(shù)下，電沉積電極表面的金屬鍍層均勻、致密，元素分布均勻，沒(méi)有明顯的雜質(zhì)和缺陷，這表明優(yōu)化后的電沉積工藝能夠有效提高電極的性能。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)評(píng)估電極的機(jī)械強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的電極在不同變形條件下仍能保持較好的性能，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。3.2.3聯(lián)用技術(shù)的實(shí)施步驟與注意事項(xiàng)在實(shí)施噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)時(shí)，首先進(jìn)行噴墨打印步驟。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的蠶絲基底固定在打印平臺(tái)上，確保基底平整、無(wú)褶皺。根據(jù)優(yōu)化后的噴墨打印工藝參數(shù)，設(shè)置好打印機(jī)的電壓、頻率、噴頭高度等參數(shù)。將配制好的硝酸銀墨水裝入噴墨打印機(jī)的墨盒中，啟動(dòng)打印機(jī)，按照設(shè)計(jì)好的圖案進(jìn)行打印。在打印過(guò)程中，要注意觀察打印機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，確保墨水噴射均勻，打印圖案清晰。打印完成后，將蠶絲基底從打印平臺(tái)上取下，放置在通風(fēng)良好的環(huán)境中晾干，使墨水充分干燥，形成初步的銀電極圖案。接下來(lái)進(jìn)行電沉積步驟。將晾干的帶有銀電極圖案的蠶絲基底作為陰極，與電源的負(fù)極相連；選擇合適的陽(yáng)極，如鉑電極或石墨電極，與電源的正極相連。將陰陽(yáng)極放入含有硫酸鎳電解液的電解槽中，根據(jù)優(yōu)化后的電沉積工藝參數(shù)，設(shè)置好電流密度、沉積時(shí)間、溫度等參數(shù)。接通電源，開(kāi)始電沉積過(guò)程。在電沉積過(guò)程中，要保持電解液的攪拌，使金屬離子均勻分布，確保沉積層的均勻性。同時(shí)，要注意觀察電極表面的沉積情況，避免出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。電沉積完成后，將蠶絲基底從電解槽中取出，用去離子水反復(fù)沖洗，去除表面殘留的電解液，然后在60℃的烘箱中干燥2-3小時(shí)，得到具有良好導(dǎo)電性和穩(wěn)定性的蠶絲基電子皮膚電極。在操作過(guò)程中，有諸多注意事項(xiàng)。在噴墨打印前，要確保打印機(jī)的噴頭清潔，無(wú)堵塞現(xiàn)象。定期對(duì)噴頭進(jìn)行清洗和維護(hù)，避免因噴頭堵塞而影響打印質(zhì)量。要保證墨水的質(zhì)量和穩(wěn)定性，避免使用過(guò)期或變質(zhì)的墨水。在電沉積過(guò)程中，要嚴(yán)格控制電解液的成分和濃度，確保其符合實(shí)驗(yàn)要求。定期檢測(cè)電解液的pH值、金屬離子濃度等參數(shù)，及時(shí)調(diào)整電解液的組成。還要注意電極的連接，確保電極與電源的連接牢固，避免出現(xiàn)接觸不良的情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要注意安全防護(hù)，避免接觸到腐蝕性的化學(xué)試劑，如硝酸銀、硫酸鎳等。佩戴好手套、護(hù)目鏡等防護(hù)用品，如不慎接觸到化學(xué)試劑，應(yīng)立即用大量清水沖洗，并及時(shí)就醫(yī)。3.3性能測(cè)試與表征方法為全面評(píng)估制備的蠶絲基電子皮膚的性能，采用多種測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)表征。對(duì)于導(dǎo)電性測(cè)試，選用四探針?lè)y(cè)量電極的電阻率，以此評(píng)估其導(dǎo)電性能。將四探針測(cè)試儀的四個(gè)探針均勻地放置在電子皮膚的電極表面，確保探針與電極良好接觸。通過(guò)測(cè)量探針之間的電壓降和通過(guò)的電流，根據(jù)公式??=\frac{??}{\ln2}\times\frac{V}{I}\timest（其中??為電阻率，V為電壓降，I為電流，t為樣品厚度）計(jì)算出電極的電阻率。在不同的溫度和濕度條件下進(jìn)行測(cè)量，以研究環(huán)境因素對(duì)電極導(dǎo)電性的影響。在高溫高濕環(huán)境下，電極的電阻率可能會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)分析這種變化可以評(píng)估電子皮膚在不同環(huán)境下的導(dǎo)電穩(wěn)定性。柔韌性測(cè)試通過(guò)彎曲試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將蠶絲基電子皮膚固定在彎曲測(cè)試裝置上，以一定的半徑和頻率進(jìn)行反復(fù)彎曲。在彎曲過(guò)程中，使用應(yīng)變片監(jiān)測(cè)電子皮膚的應(yīng)變情況，同時(shí)測(cè)量電極的電阻變化。通過(guò)觀察電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系，評(píng)估電子皮膚在彎曲狀態(tài)下的電學(xué)性能穩(wěn)定性。當(dāng)電子皮膚彎曲到一定程度時(shí)，若電阻變化較小，說(shuō)明其柔韌性良好，能夠在彎曲變形時(shí)保持較好的導(dǎo)電性能。在實(shí)際應(yīng)用中，電子皮膚可能會(huì)經(jīng)常受到彎曲等形變，良好的柔韌性能夠確保其正常工作。拉伸性測(cè)試采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。將蠶絲基電子皮膚制成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以一定的拉伸速率進(jìn)行拉伸。在拉伸過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄拉伸力和伸長(zhǎng)量，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過(guò)分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到電子皮膚的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能參數(shù)。拉伸強(qiáng)度反映了電子皮膚抵抗拉伸破壞的能力，斷裂伸長(zhǎng)率則表示電子皮膚在斷裂前能夠承受的最大拉伸變形程度。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估電子皮膚在實(shí)際使用中的可靠性和耐久性具有重要意義。靈敏度測(cè)試通過(guò)施加不同大小的壓力和應(yīng)變來(lái)進(jìn)行。使用高精度的壓力傳感器和應(yīng)變計(jì)，將壓力和應(yīng)變精確地施加到電子皮膚表面。在施加壓力或應(yīng)變的過(guò)程中，測(cè)量電子皮膚的電信號(hào)響應(yīng)，如電阻變化、電容變化或電壓變化等。根據(jù)電信號(hào)響應(yīng)與外界刺激之間的關(guān)系，計(jì)算電子皮膚的靈敏度。對(duì)于壓力傳感器型電子皮膚，靈敏度可表示為S=\frac{\DeltaR/R}{\DeltaP}（其中S為靈敏度，\DeltaR/R為電阻相對(duì)變化量，\DeltaP為壓力變化量）。通過(guò)測(cè)試不同壓力和應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度，評(píng)估電子皮膚對(duì)不同外界刺激的響應(yīng)能力。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)中，需要電子皮膚能夠?qū)ξ⑿〉膲毫ψ兓龀鲮`敏響應(yīng)，以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生理參數(shù)。四、結(jié)果與討論4.1蠶絲基電子皮膚微觀結(jié)構(gòu)分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)制備的蠶絲基電子皮膚微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）中可以清晰地看到，脫膠后的蠶絲纖維表面光滑，直徑較為均勻，約為10-15μm，纖維之間相互交織，形成了一種多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種多孔結(jié)構(gòu)為后續(xù)的噴墨打印和電沉積提供了良好的支撐和附著基礎(chǔ)，有利于提高電極與蠶絲基底之間的結(jié)合力。圖1（b）展示了噴墨打印后的蠶絲纖維表面形貌?？梢杂^察到，銀墨水均勻地分布在蠶絲纖維表面，形成了連續(xù)的導(dǎo)電圖案。打印的銀線條寬度約為50-80μm，線條邊緣清晰，無(wú)明顯的墨水?dāng)U散現(xiàn)象，表明優(yōu)化后的噴墨打印工藝能夠在蠶絲基底上實(shí)現(xiàn)高精度的圖案化制備。這是因?yàn)樵趦?yōu)化的工藝參數(shù)下，噴頭能夠精確控制墨滴的大小和噴射位置，使得銀墨水能夠準(zhǔn)確地沉積在蠶絲纖維表面，形成均勻、清晰的導(dǎo)電圖案。經(jīng)過(guò)電沉積處理后，從圖1（c）中可以看到，鎳層均勻地沉積在噴墨打印的銀電極表面，形成了一層致密的金屬鍍層。鎳層的厚度約為1-2μm，表面光滑，無(wú)明顯的孔洞和缺陷。這種致密的鎳鍍層能夠有效提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，減少電極在使用過(guò)程中的電阻變化。這是因?yàn)殡姵练e過(guò)程中，鎳離子在電場(chǎng)的作用下均勻地沉積在銀電極表面，形成了緊密排列的金屬晶體結(jié)構(gòu)，從而提高了電極的電學(xué)性能。圖1（d）為高分辨率的SEM圖像，進(jìn)一步展示了電沉積鎳層與噴墨打印銀電極之間的界面結(jié)構(gòu)。可以看出，鎳層與銀電極之間結(jié)合緊密，無(wú)明顯的分層現(xiàn)象。這表明電沉積過(guò)程中，鎳原子能夠與銀原子形成良好的化學(xué)鍵合，增強(qiáng)了電極的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種緊密的界面結(jié)合能夠有效提高電極的力學(xué)性能，使其在受到拉伸、彎曲等外力作用時(shí)，不易發(fā)生脫落和損壞。為了進(jìn)一步分析噴墨打印和電沉積對(duì)蠶絲基電子皮膚微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)不同處理階段的樣品進(jìn)行了能量色散光譜（EDS）分析。結(jié)果表明，噴墨打印后的樣品中，銀元素主要分布在蠶絲纖維表面，而電沉積后的樣品中，鎳元素均勻地覆蓋在銀元素之上，且未檢測(cè)到其他雜質(zhì)元素，說(shuō)明電沉積過(guò)程成功地在噴墨打印的銀電極上沉積了一層純凈的鎳層。通過(guò)SEM觀察和EDS分析，我們可以得出結(jié)論：噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)能夠在蠶絲基底上成功制備出具有良好微觀結(jié)構(gòu)的電子皮膚電極。噴墨打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的圖案化制備，為電沉積提供了良好的基礎(chǔ)；電沉積技術(shù)則能夠在噴墨打印電極表面沉積一層致密的金屬鍍層，有效提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為蠶絲基電子皮膚的高性能應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、結(jié)果與討論4.2性能測(cè)試結(jié)果分析4.2.1電學(xué)性能對(duì)制備的蠶絲基電子皮膚進(jìn)行了電學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，在不同的拉伸應(yīng)變下，電子皮膚的電阻變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)拉伸應(yīng)變?cè)?-20%范圍內(nèi)時(shí)，電阻變化較小，基本保持穩(wěn)定，表明電子皮膚在該應(yīng)變范圍內(nèi)具有良好的導(dǎo)電性穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵谶@個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)，噴墨打印和電沉積形成的電極結(jié)構(gòu)能夠保持相對(duì)完整，金屬鍍層沒(méi)有發(fā)生明顯的斷裂或脫粘，從而保證了電子皮膚的電學(xué)性能。當(dāng)拉伸應(yīng)變超過(guò)20%時(shí)，電阻開(kāi)始逐漸增大，且增大的速率隨著應(yīng)變的增加而加快。這是由于隨著拉伸應(yīng)變的進(jìn)一步增加，電極結(jié)構(gòu)受到的破壞逐漸加劇，金屬鍍層出現(xiàn)了裂紋和斷裂，導(dǎo)致電子傳輸路徑受阻，電阻增大。當(dāng)拉伸應(yīng)變達(dá)到50%時(shí)，電阻已經(jīng)增大到初始電阻的3倍左右，這表明電子皮膚在較大的拉伸應(yīng)變下，電學(xué)性能會(huì)受到顯著影響。圖2（b）展示了電子皮膚在不同彎曲角度下的電阻變化情況?？梢杂^察到，在彎曲角度從0°逐漸增加到180°的過(guò)程中，電阻呈現(xiàn)出先略微下降后逐漸上升的趨勢(shì)。在彎曲角度較小時(shí)，如0°-90°，電阻略微下降，這可能是由于彎曲過(guò)程中電極與蠶絲基底之間的接觸更加緊密，改善了電子傳輸效率。當(dāng)彎曲角度超過(guò)90°后，電阻開(kāi)始逐漸上升，這是因?yàn)殡S著彎曲角度的增大，電極受到的應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致電極表面的金屬鍍層出現(xiàn)微小的裂紋和變形，影響了電子的傳輸，從而使電阻增大。當(dāng)彎曲角度達(dá)到180°時(shí)，電阻增大到初始電阻的1.5倍左右，說(shuō)明電子皮膚在較大的彎曲角度下，電學(xué)性能會(huì)發(fā)生一定程度的變化。通過(guò)對(duì)不同環(huán)境濕度下電子皮膚的電學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度的增加，電子皮膚的電阻也會(huì)逐漸增大。在相對(duì)濕度為30%時(shí)，電阻變化較?。划?dāng)相對(duì)濕度增加到80%時(shí)，電阻增大到初始電阻的1.2倍左右。這是因?yàn)榄h(huán)境濕度的增加會(huì)使蠶絲基底吸收水分，導(dǎo)致其導(dǎo)電性發(fā)生變化，同時(shí)水分可能會(huì)滲透到電極與基底之間的界面，影響電子的傳輸，從而使電阻增大。綜合以上電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，本研究制備的蠶絲基電子皮膚在一定的拉伸應(yīng)變、彎曲角度和環(huán)境濕度范圍內(nèi)，具有良好的導(dǎo)電性穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，如可穿戴設(shè)備和醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，電子皮膚需要能夠適應(yīng)人體的各種運(yùn)動(dòng)和環(huán)境變化，本研究的結(jié)果表明該蠶絲基電子皮膚在一定程度上能夠滿(mǎn)足這些應(yīng)用需求。在可穿戴設(shè)備中，當(dāng)人體進(jìn)行日?；顒?dòng)時(shí)，電子皮膚可能會(huì)受到拉伸和彎曲等力學(xué)作用，該電子皮膚在較小的拉伸應(yīng)變和彎曲角度下能夠保持穩(wěn)定的電學(xué)性能，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，環(huán)境濕度可能會(huì)對(duì)電子皮膚的性能產(chǎn)生影響，該電子皮膚在一定的濕度范圍內(nèi)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的電學(xué)性能，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生理參數(shù)提供了保障。4.2.2力學(xué)性能對(duì)蠶絲基電子皮膚的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以清晰地看出，在拉伸過(guò)程中，電子皮膚的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而逐漸增大。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到約15%時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，約為12MPa，隨后應(yīng)力隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加而逐漸減小，最終電子皮膚發(fā)生斷裂。這表明電子皮膚在受到拉伸力時(shí)，能夠承受一定程度的變形，具有一定的拉伸強(qiáng)度。這種拉伸強(qiáng)度使得電子皮膚在實(shí)際應(yīng)用中，如穿戴在人體表面時(shí)，能夠承受人體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的拉伸力，不易發(fā)生破裂。在人體進(jìn)行伸展、彎曲等動(dòng)作時(shí)，電子皮膚需要具備足夠的拉伸強(qiáng)度來(lái)適應(yīng)這些運(yùn)動(dòng)，以保證其正常工作。圖3（b）展示了電子皮膚在反復(fù)彎曲過(guò)程中的電阻變化情況。在彎曲次數(shù)較少時(shí)，如前50次彎曲，電阻變化較小，基本保持在初始電阻的±5%范圍內(nèi)。這說(shuō)明電子皮膚在短期內(nèi)的反復(fù)彎曲過(guò)程中，能夠保持良好的電學(xué)性能穩(wěn)定性，電極結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到明顯的破壞。隨著彎曲次數(shù)的不斷增加，電阻逐漸增大。當(dāng)彎曲次數(shù)達(dá)到200次時(shí)，電阻增大到初始電阻的1.2倍左右。這是因?yàn)殡S著彎曲次數(shù)的增多，電極受到的疲勞損傷逐漸積累，導(dǎo)致電極表面的金屬鍍層出現(xiàn)裂紋和脫落，從而影響了電子皮膚的電學(xué)性能。通過(guò)對(duì)電子皮膚的柔韌性進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其能夠在較小的彎曲半徑下實(shí)現(xiàn)多次彎曲而不發(fā)生損壞。當(dāng)彎曲半徑為5mm時(shí)，電子皮膚可以連續(xù)彎曲100次以上，仍能保持良好的力學(xué)性能和電學(xué)性能。這表明電子皮膚具有較好的柔韌性，能夠適應(yīng)復(fù)雜的彎曲變形環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，電子皮膚可能需要貼合在各種曲面物體表面，如人體關(guān)節(jié)部位，良好的柔韌性能夠確保電子皮膚與物體表面緊密貼合，提高其傳感性能。4.2.3傳感性能對(duì)蠶絲基電子皮膚的傳感性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為壓力-電阻變化曲線，從圖中可以看出，隨著壓力的增加，電子皮膚的電阻呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在壓力為0-5kPa的范圍內(nèi)，電阻變化較為敏感，電阻相對(duì)變化率可達(dá)10%-30%。這表明電子皮膚在該壓力范圍內(nèi)具有較高的靈敏度，能夠?qū)ξ⑿〉膲毫ψ兓龀隹焖夙憫?yīng)。這是因?yàn)樵趬毫ψ饔孟拢娮悠つw內(nèi)部的電極結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致電子傳輸路徑發(fā)生改變，從而引起電阻的變化。當(dāng)壓力超過(guò)5kPa后，電阻變化率逐漸減小，這是由于電極結(jié)構(gòu)在較大壓力下逐漸趨于穩(wěn)定，電阻變化不再明顯。與其他基于不同材料制備的電子皮膚相比，本研究制備的蠶絲基電子皮膚在傳感性能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。與基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的電子皮膚相比，本研究的蠶絲基電子皮膚在相同壓力范圍內(nèi)具有更高的靈敏度。在壓力為1kPa時(shí)，本研究的電子皮膚電阻相對(duì)變化率可達(dá)20%左右，而基于PDMS的電子皮膚電阻相對(duì)變化率僅為10%左右。這是因?yàn)樾Q絲基材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能與PDMS不同，蠶絲纖維的多孔結(jié)構(gòu)和良好的柔韌性使得電子皮膚在受到壓力時(shí)能夠更好地發(fā)生變形，從而引起更明顯的電阻變化。與基于碳納米管（CNT）的電子皮膚相比，本研究的蠶絲基電子皮膚具有更好的穩(wěn)定性。在長(zhǎng)時(shí)間的壓力測(cè)試中，基于CNT的電子皮膚可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)漂移等問(wèn)題，而本研究的蠶絲基電子皮膚能夠保持穩(wěn)定的傳感性能。這是因?yàn)樾Q絲基材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，能夠在不同的環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能，從而保證了電子皮膚的傳感穩(wěn)定性。圖4（b）展示了電子皮膚對(duì)溫度變化的響應(yīng)情況。隨著溫度的升高，電子皮膚的電阻呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在溫度為25℃-45℃的范圍內(nèi)，電阻相對(duì)變化率約為5%-15%。這表明電子皮膚對(duì)溫度變化具有一定的敏感性，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度的變化。這種溫度傳感性能使得電子皮膚在醫(yī)療監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)中，電子皮膚可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體體溫的變化，為疾病的診斷和治療提供重要依據(jù)。4.3聯(lián)用技術(shù)對(duì)性能的影響機(jī)制從微觀層面深入剖析，噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)對(duì)蠶絲基電子皮膚的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了多方面的顯著影響。在結(jié)構(gòu)方面，噴墨打印過(guò)程中，銀墨水在蠶絲基底上的精確沉積改變了基底表面的微觀形貌。銀納米粒子在電場(chǎng)作用下定向排列，形成了連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這些導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)均勻地分布在蠶絲纖維表面，為后續(xù)的電沉積提供了良好的基礎(chǔ)。在高分辨率的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中，可以清晰地觀察到銀納米粒子緊密地附著在蠶絲纖維表面，形成了一層均勻的導(dǎo)電薄膜。這種導(dǎo)電薄膜不僅增加了蠶絲纖維表面的粗糙度，還改變了其表面的電學(xué)性質(zhì)，使得蠶絲纖維表面具有了良好的導(dǎo)電性。電沉積過(guò)程進(jìn)一步改變了電子皮膚的微觀結(jié)構(gòu)。鎳離子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，在噴墨打印形成的銀電極表面發(fā)生還原反應(yīng)，沉積形成鎳層。鎳原子在銀電極表面逐漸聚集、結(jié)晶，形成了致密的金屬鍍層。通過(guò)SEM和能譜分析（EDS）可以發(fā)現(xiàn)，鎳層與銀電極之間形成了緊密的化學(xué)鍵合，這種化學(xué)鍵合增強(qiáng)了電極的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鎳層的存在還填補(bǔ)了銀電極表面的一些微小缺陷和孔隙，使得電極表面更加光滑、致密，進(jìn)一步提高了電極的導(dǎo)電性。在性能方面，這種結(jié)構(gòu)的改變對(duì)電子皮膚的電學(xué)性能產(chǎn)生了直接影響。噴墨打印形成的銀電極網(wǎng)絡(luò)為電子傳輸提供了初始的通路，銀的良好導(dǎo)電性使得電子能夠在電極中快速傳輸。電沉積的鎳層則進(jìn)一步降低了電極的電阻，提高了電子傳輸效率。這是因?yàn)殒噷拥母邔?dǎo)電性和致密結(jié)構(gòu)減少了電子傳輸過(guò)程中的散射和阻礙，使得電子能夠更加順暢地通過(guò)電極。在拉伸和彎曲等力學(xué)變形條件下，這種復(fù)合電極結(jié)構(gòu)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，減少電阻的變化。由于銀電極和鎳層之間的緊密結(jié)合，在受到外力作用時(shí)，它們能夠協(xié)同變形，避免了電極結(jié)構(gòu)的破壞和電阻的急劇增加。對(duì)于力學(xué)性能，噴墨打印和電沉積過(guò)程對(duì)蠶絲基電子皮膚的力學(xué)性能也有重要影響。銀電極和鎳層的存在增加了電子皮膚的整體強(qiáng)度。銀電極和鎳層與蠶絲纖維之間的相互作用，限制了蠶絲纖維在受力時(shí)的滑移和變形，從而提高了電子皮膚的拉伸強(qiáng)度和彎曲疲勞性能。在拉伸試驗(yàn)中，復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的電子皮膚能夠承受更大的拉伸力，斷裂伸長(zhǎng)率也有所提高。這是因?yàn)殂y電極和鎳層在受力時(shí)能夠分擔(dān)一部分載荷，使得蠶絲纖維所承受的應(yīng)力減小，從而提高了電子皮膚的力學(xué)性能。銀電極和鎳層的柔韌性也為電子皮膚提供了一定的緩沖作用，使其在彎曲變形時(shí)能夠更好地適應(yīng)外界應(yīng)力，減少了因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。在傳感性能方面，噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)制備的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)對(duì)電子皮膚的傳感性能具有顯著的提升作用。在壓力傳感中，當(dāng)電子皮膚受到壓力時(shí)，復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致電子傳輸路徑的改變，從而引起電阻的變化。銀電極和鎳層的協(xié)同作用使得這種電阻變化更加明顯，提高了電子皮膚的壓力靈敏度。在溫度傳感中，復(fù)合電極結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的變化也具有較好的響應(yīng)特性。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致復(fù)合電極結(jié)構(gòu)中金屬的電阻發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這種電阻變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確監(jiān)測(cè)。由于銀和鎳的電阻溫度系數(shù)不同，復(fù)合電極結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生更加明顯的電阻變化，提高了溫度傳感的靈敏度和準(zhǔn)確性。五、應(yīng)用案例與前景展望5.1潛在應(yīng)用領(lǐng)域案例分析5.1.1醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，蠶絲基電子皮膚展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為疾病的早期診斷、治療效果評(píng)估和患者的健康管理提供了新的手段。在生命體征監(jiān)測(cè)方面，蠶絲基電子皮膚可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率、脈搏、血壓等重要生理參數(shù)。有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于蠶絲基電子皮膚的可穿戴式心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)集成在電子皮膚上的壓力傳感器和應(yīng)變傳感器，能夠精確地感知心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微小壓力變化和皮膚表面的應(yīng)變變化，從而準(zhǔn)確計(jì)算出心率。在實(shí)際應(yīng)用中，將該設(shè)備佩戴在患者的手腕或胸部，能夠?qū)崟r(shí)獲取患者的心率數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)測(cè)終端。當(dāng)患者的心率出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以便醫(yī)護(hù)人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)的治療措施。與傳統(tǒng)的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，蠶絲基電子皮膚具有柔軟、可拉伸、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠與人體皮膚緊密貼合，佩戴更加舒適，且不會(huì)對(duì)皮膚造成刺激。對(duì)于傷口愈合情況的監(jiān)測(cè)，蠶絲基電子皮膚也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。蘇州大學(xué)李剛教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種用于監(jiān)測(cè)手術(shù)傷口愈合情況的還原氧化石墨烯導(dǎo)電功能醫(yī)用蠶絲縫合線。該縫合線表現(xiàn)出優(yōu)異的電導(dǎo)率，展示了快速響應(yīng)和循環(huán)重復(fù)穩(wěn)定性，即使在不同的拉伸應(yīng)變和濕度條件下，電阻變化也能保持均勻，具有傳感穩(wěn)定性。在模擬生理鹽水、胃液和腸液中，該縫合線也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這種蠶絲基的導(dǎo)電縫合線能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)傷口的微電阻傳感變化，從而反映傷口的愈合狀態(tài)。當(dāng)傷口發(fā)生炎癥或感染時(shí)，傷口周?chē)慕M織會(huì)發(fā)生生理變化，導(dǎo)致微電阻發(fā)生改變，電子皮膚能夠及時(shí)感知到這些變化，并將信號(hào)傳輸給醫(yī)護(hù)人員。醫(yī)護(hù)人員可以根據(jù)這些信息調(diào)整治療方案，及時(shí)采取措施預(yù)防傷口惡化，促進(jìn)傷口愈合。這種監(jiān)測(cè)方式為術(shù)后傷口的管理提供了更加科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，有助于減少術(shù)后住院干預(yù)，為患者的康復(fù)提供了有力支持。5.1.2智能機(jī)器人感知在智能機(jī)器人領(lǐng)域，電子皮膚為機(jī)器人提供了更加靈敏和精準(zhǔn)的觸覺(jué)感知能力，使其能夠更好地與環(huán)境交互，完成各種復(fù)雜的任務(wù)。華威科自主研發(fā)的“人形機(jī)器人觸覺(jué)感知系統(tǒng)”已與多家人形機(jī)器人行業(yè)龍頭企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)小批量出貨。該系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)器人表面集成電子皮膚，使機(jī)器人能夠感知不同力度的觸摸和壓力。在機(jī)器人進(jìn)行抓取任務(wù)時(shí)，電子皮膚能夠?qū)崟r(shí)感知物體的表面狀況和抓取力度，從而調(diào)整抓取動(dòng)作，確保物體被穩(wěn)定抓取。當(dāng)機(jī)器人抓取易碎物品時(shí)，電子皮膚能夠感知到物體的脆弱程度，避免因抓取力度過(guò)大而損壞物品。在與人交互的場(chǎng)景中，電子皮膚可以讓機(jī)器人感知到人類(lèi)的觸摸和動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)更加自然和友好的互動(dòng)。當(dāng)人類(lèi)與機(jī)器人握手時(shí)，電子皮膚能夠感知到握手的力度和溫度，使機(jī)器人能夠做出相應(yīng)的反應(yīng)，如調(diào)整握手的力度以適應(yīng)人類(lèi)的感受。蠶絲基電子皮膚由于其柔軟性和生物相容性，在一些特殊場(chǎng)景下的機(jī)器人應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人中，蠶絲基電子皮膚可以使機(jī)器人更加安全地與患者接觸。當(dāng)機(jī)器人為患者進(jìn)行按摩或護(hù)理時(shí)，電子皮膚能夠感知患者皮膚的狀態(tài)和受力情況，避免對(duì)患者造成傷害。在康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中，蠶絲基電子皮膚可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的肌肉運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)活動(dòng)，為康復(fù)訓(xùn)練提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)感知患者的肌肉力量和運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人可以根據(jù)患者的實(shí)際情況調(diào)整訓(xùn)練方案，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。5.1.3虛擬現(xiàn)實(shí)交互在虛擬現(xiàn)實(shí)交互中，電子皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)更加自然和沉浸式的交互體驗(yàn)，為用戶(hù)帶來(lái)全新的感受。將電子皮膚集成到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，如手套、頭盔等，用戶(hù)在虛擬環(huán)境中可以通過(guò)電子皮膚感受到觸摸、壓力、溫度等多種刺激，增強(qiáng)了虛擬環(huán)境的真實(shí)感和沉浸感。當(dāng)用戶(hù)在虛擬現(xiàn)實(shí)游戲中觸摸虛擬物體時(shí)，電子皮膚能夠模擬出真實(shí)的觸摸感覺(jué)，讓用戶(hù)更加身臨其境地感受游戲的樂(lè)趣。在虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)中，如醫(yī)療手術(shù)培訓(xùn)、工業(yè)操作培訓(xùn)等，電子皮膚可以讓用戶(hù)更加真實(shí)地感受到操作過(guò)程中的力反饋和觸覺(jué)信息，提高培訓(xùn)的效果和真實(shí)性。蠶絲基電子皮膚的柔軟性和可拉伸性使其能夠更好地貼合人體皮膚，為虛擬現(xiàn)實(shí)交互提供更加舒適的體驗(yàn)。在長(zhǎng)時(shí)間的虛擬現(xiàn)實(shí)交互過(guò)程中，用戶(hù)不會(huì)因?yàn)榕宕麟娮悠つw而感到不適。蠶絲基電子皮膚的生物相容性也降低了對(duì)用戶(hù)皮膚的刺激風(fēng)險(xiǎn)，提高了用戶(hù)的使用安全性。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電子皮膚的性能要求也越來(lái)越高。未來(lái)，蠶絲基電子皮膚有望在虛擬現(xiàn)實(shí)交互領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，通過(guò)不斷優(yōu)化其性能和功能，為用戶(hù)帶來(lái)更加逼真、舒適的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。5.2發(fā)展前景與挑戰(zhàn)基于噴墨打印-電沉積聯(lián)用技術(shù)的蠶絲基電子皮膚在未來(lái)展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，有望在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要突破和廣泛應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，隨著人們對(duì)健康監(jiān)測(cè)和個(gè)性化醫(yī)療的需求不斷增加，蠶絲基電子皮膚將發(fā)揮更大的作用。未來(lái)，蠶絲基電子皮膚有望實(shí)現(xiàn)對(duì)更多生理參數(shù)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，如血糖、血氧、心電等。通過(guò)將多種傳感器集成到電子皮膚上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況的全面評(píng)估，為疾病的早期診斷和治療提供更豐富、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在智能家居和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，蠶絲基電子皮膚可作為智能交互的關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的自然交互。將電子皮膚集成到家居設(shè)備表面，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸、手勢(shì)等方式控制設(shè)備，提高家居生活的便利性和智能化程度。在智能服裝領(lǐng)域，蠶絲基電子皮膚可以與服裝材料相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出具有智能監(jiān)測(cè)和交互功能的服裝，為用戶(hù)提供更加舒適、便捷的穿著體驗(yàn)。盡管前景廣闊，但目前該技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，噴墨打印過(guò)程中墨水的均勻性和穩(wěn)定性問(wèn)題仍有待進(jìn)一步解決。不同批次的墨水可能存在成分和性能差異，導(dǎo)致打印圖案的質(zhì)量不穩(wěn)定，影響電子皮膚的性能一致性。電沉