柔性管，柔性管道指的什么管
该方案通过氧化还原电位转换机制和钙离子保水特性的优势，可以将压力信号编码为电信号，从而将电池转换为压力传感器。
所提出的电池型传感器具有显著的传感性能，比未经修改的氧化石墨烯固体电解质制备的传感器高约4000倍。因此，本研究为制造高性能的一体化电子皮肤提供了通用平台。
本文提出了一种新的设计理念，将铜锌原电池设计成压力传感器，并在铜和锌电极之间引入了离子复合的氧化石墨烯固体电解质作为具体实现。
这种全能量电池型压力传感器铜/氧化石墨烯/锌可以用于实现人体生理信号、人体关节运动和信息传输的自供电连续检测，无需额外的能量存储和转换设备。
因此，我们的创新方案将电池和压力传感器相结合，具有自供电高功率性能，有望为未来可穿戴设备的集成创造无限的可能性。
一、铜/氧化石墨烯/锌-电池式压力传感器的设计概念
为了建立一个电池式的压力传感器，我们首先选择了最常见的铜-锌原电池作为电池原型。具体来说，我们使用嵌入离子的氧化石墨烯作为固态电解质/压力感应层。铜箔和锌箔被用作能够产生电势差的电极。
电池式压力传感器的实现主要在于以下几点：氧化石墨烯固态电解质的弱酸性为铜/氧化石墨烯/锌系统提供了适宜的氧化还原反应环境；由于氧化还原反应，两个电极之间形成了稳定的电势差。
上述公式显示，负极的锌电极失去电子并获得锌离子。在正极表面，氢离子获得电子生成氢气。因此，当外部机械力作用于传感器时，机械刺激可以转化为电位差的变化。
具体来说，在没有外部力的情况下，由于存在空气隔离层，传感器处于断路状态。当外部机械压力作用于传感器表面时，顶部电极接触氧化石墨烯固态电解质/压力敏感层，并通过两个电极的氧化还原反应输出稳定的电信号。
不幸的是，氧化石墨烯层间的水易于蒸发和丢失，从而影响质子传输，因此以氧化石墨烯作为固态电解质的铜/氧化石墨烯/锌系统的输出电流密度相当低。
有趣的是，氧化石墨烯相比原始氧化石墨烯膜表现出优异的亲水性，这可能是由于层间间距的扩大以及离子、氧化石墨烯和水之间更强的氢键作用。
此外，Ca2+离子交联后，氧化石墨烯表现出更好的电解质特性，因此在外部机械力的作用下，铜/氧化石墨烯/锌的输出电流密度比铜/氧化石墨烯/锌高三个数量级。
二、氧化石墨烯固体电解质嵌入金属离子的特性
本文旨在建立一个稳定的结构，促进离子传输以维持原电池的性能。报道称氧化石墨烯（氧化石墨烯）包括羟基、羧基和环氧基等官能团被嫁接在石墨烯纳米片的基部和边缘上。
不幸的是，氧化石墨烯很容易脱水，因此其离子传输性能大大降低。因此，为了改善氧化石墨烯的离子传输性能，我们使用金属离子进行插层。同时，氧化石墨烯 [离子]（Na+，Mg2+，Al3+，K+，Ca2+，铜2+）膜中阳离子的百分比约为3％-4％。
另一方面，氧化石墨烯复合膜中的离子百分比随浓度增加而增加。大量的阴、阳离子含量将极大地提高氧化石墨烯复合膜的电导率，这在电化学阻抗谱中得到进一步确认。
其次，氧化石墨烯膜的表面带电，是一种选择性离子膜。关键是，通过离子交联的氧化石墨烯纳米片可以用作压力传感器的敏感层。由于集电体和固体电解质之间隔离层的绝缘功能，在没有外部压力作用时，设备是断开的。
当外部压力施加时，隔离层不再起作用，导致电极与固体电解质之间接触，然后在两个电极之间形成稳定的电位差。当氧化石墨烯固体电解质与不同金属阳离子交联时用作压力敏感层时，所获得的压力传感器可以显着响应压力刺激。
不同金属阳离子与氧化石墨烯的交联不影响系统的电位差，因为压力传感器的电位差主要取决于固体电解质/压力敏感层的两个电极材料的性质。
值得注意的是，这些压力传感器的短路电流密度明显不同。与纯氧化石墨烯固体电解质相比，氧化石墨烯固体电解质与离子交联的短路电流密度增加了约三个数量级，表明金属阳离子的嵌入可以促进离子的传输。
另一方面，氧化石墨烯固体电解质嵌有各种金属阳离子的器件也显示出不同的性能。其中，氧化石墨烯固体电解质的短路电流密度最佳。值得注意的是，这些传感器的短路电流密度会随时间衰减，但氧化石墨烯的性能异常稳定。
研究发现，制备后的氧化石墨烯膜水分含量很高，但随着时间的推移，长时间存放的氧化石墨烯会失去水分，变得干燥收缩，影响其性能。
结果表明，不同离子处理下，氧化石墨烯的水持有能力不同，而氧化石墨烯的水持有能力显著优于其他离子的氧化石墨烯。因此，氧化石墨烯可以在室温下防止氧化石墨烯层间水分大量流失，从而使氧化石墨烯膜具有长期锁水能力，保证其长期离子传输性能。
此外，与初始状态的氧化石墨烯相比，氧化石墨烯由于其良好的吸水能力获得了出色的柔韧性。Ca2+与氧化石墨烯纳米片之间的相互作用也导致了纳米片的扭曲。此外，氧化石墨烯的横截面SEM图像显示了孔洞结，表明离子插层后氧化石墨烯膜层间空间扩展。
这些膜在放置一周后表面开始变得干燥、粗糙和卷曲。在众多离子型氧化石墨烯膜中，氧化石墨烯膜因其表面仍然平整且保持柔软和湿润而脱颖而出。我们将这些自支撑膜放入90%相对湿度的环境中进行保湿处理。
在12小时后，这些膜仍然可以吸收水分子，使离子型氧化石墨烯膜保持湿润。为进一步验证氧化石墨烯的特殊保湿性能，我们对氧化石墨烯和氧化石墨烯进行了热重分析。
在去除的质量比例方面，氧化石墨烯的比例显著较高，表明氧化石墨烯膜具有更高的水化程度。因此，可以输出更高响应电流信号。
三、氧化石墨烯固态电解质的性质
我们进一步研究了不同浓度Ca2+对氧化石墨烯的保水性和离子传输的影响。随着Ca2+浓度的增加，特征峰逐渐向左移动，表明氧化石墨烯层间距增加。
然而，随着离子浓度的进一步增加，层间距离减小，这可能是由于Ca2+和氧化石墨烯之间的强相互作用增加，导致氧化石墨烯纳米片晶格畸变。氧化石墨烯的导电性随着Ca2+浓度的增加而增加，器件的开路电压约为0.77 V。
基于上述研究，我们认为含Ca2+的氧化石墨烯固体电解质具有良好的电导率。电导率随着Ca2+浓度的增加而增加。然而，Ca2+浓度越高，层状结构就越不完整，这会影响压力传感性能。
因此，我们选择浓度为0.4 M的氧化石墨烯固体电解质作为未来压力测试的压敏层。结果显示，氧化石墨烯对压力刺激有明显反应。
以上的猜测还得到了理论计算的进一步证明。密度泛函理论(DFT)被用于计算氧化石墨烯、离子和水分子之间的相互作用。根据以前的研究，金属阳离子被插入到氧化石墨烯膜中形成阳离子层。
在研究过程中，详细计算了六种金属阳离子与氧化石墨烯的相互作用。结果表明，Ca2+离子与氧化石墨烯之间的结合能最强。引入水分子时，不同离子插层的氧化石墨烯与四个水分子的平均结合能。
在六种插层氧化石墨烯的配置中，氧化石墨烯对水分子的结合能最强。计算结果表明，插层的氧化石墨烯具有很强的吸水性和较弱的脱水能力。
正如前面提到的，Ca2+的水合作用使整个水层在石墨烯纳米片中保持较长时间，而表面修饰的增加（插入表面官能团和水化的Ca2+）增加了质子跳跃路径，从而加速了离子传输速度。
四、自供能压力响应性能
此外，铜/氧化石墨烯/锌传感器对外加压力具有明显响应。随着压力的增加，固体电解质的导电性逐渐增加。进一步显示，当外部施加压力达到520 kPa时，传感器的导电性可以达到1.08×10?3 S/cm，远高于未修饰的氧化石墨烯和其他不同固体电解质的导电性。
因此，铜/氧化石墨烯/锌传感器可以稳定地转换压力信号。这主要是因为固体电解质氧化石墨烯的离子传输特性在压力下得到了增强（在压力下，电阻低，膜间距缩短，电子传输路径缩短）。
此外，由于在施加压力下导电性较高，铜/氧化石墨烯/锌传感器的稳定响应电流密度可以达到2.5 mA cm。与铜液体电解质相比，铜/氧化石墨烯/锌传感器具有更稳定的开路电压，并且可以防止锌电极的消耗。
对于稀硫酸电解质，铜/氧化石墨烯/锌传感器具有更高的短路电流。重要的是，该压力传感器具有超快的响应/恢复时间，分别为49.0毫秒和56.0毫秒。它表明该压力传感器可以检测广泛的压力范围。
此外，当外部机械压力超过520 kPa时，传感器的电压信号增加非常缓慢，甚至不再变化，失去了检测压力信号的能力。同时，当压力超过800 kPa时，传感器会受到损坏。
五、多种应用
将柔性铜箔和锌箔电极与柔性离子固体电解质相结合，使压力传感器既柔性又耐磨。因此，除了研究的正方形压力传感器外，还可以切割出各种形状，例如圆形、心形和五角星形。这可以满足未来一体化设备的审美需求，而不会影响它们的性能。
开路电压和短路电流密度随弯曲角度的增加而增加。这主要是由于当传感器弯曲时，氧化石墨烯固体电解质受压并且电极与固体电解质紧密接触。短路电流密度几乎呈线性变化。
因此，由于其优异的弯曲特性，压力传感器可用于监测人体关节的运动模式。而且设备的柔性也易于适应人体皮肤表面，有利于检测人体关节运动。
除了手指弯曲，安装在膝盖上的压力传感器也可以检测到人体行走时膝盖的弯曲。此外，由于在低应变下具有高灵敏度，压力传感器可以检测人体的生理信号，并区分在不同生理状态下脉搏变化的细微差异。
为了进一步探索铜/氧化石墨烯/锌传感器的实际应用，我们设计了一个3×3的传感器阵列。考虑到其优异的自供电能力，我们将压力矩阵与3×3 LED矩阵相结合。
当在相应位置施加压力时，LED阵列中央位置的LED灯会亮起。当手指按压传感器的其他位置时，相应的LED灯也会亮起，因此压力分布和光的位置可以形成一一对应的映射，显示了传感器阵列的高灵敏度。
此外，LED灯的亮度反映了施加到传感器阵列上的压力量。随着压力的增加，LED灯的亮度也会增加。
结论
我们设计了一种高度创新的方案，将电池设计为压力传感器，实现了能量供应和压力感测的集成。基于此，我们研究了一种高效的保水性固态电解质——氧化石墨烯。
它利用Ca2+离子与石墨烯骨架之间的强π相互作用，使得氧化石墨烯固态电解质获得了出色的水分子吸附能力，并保持其长期离子传输性能。
使用铜和锌作为电极，维持系统的高电位差。由于电位转换机制和Ca2+离子的保水特性，压力信号可以被编码为高电流信号输出，从而将电池转换为压力传感器。
同时，压敏层的压力变形特性是实现其压力敏感特性的关键因素。均匀嵌入的Ca2+导致氧化石墨烯纳米片之间的接触面间隙变小，从而实现高变形，提高了传感器的压力性能。
参考文献
【1】龚莹，李欢，王晓琳：《采用氧化石墨烯固态电解质中钙离子锁定水的柔性电池式压力传感器》，《应用物理学快报》。
【2】刘明，朱康：《柔性可穿戴压力传感器的研究进展》。
【3】陈立文，毛晓峰：《用于健康和触觉监测的可穿戴微流控膜片压力传感器》。
【4】张家春，钟世宁：《一种具有仿生微裂纹和互锁结构的柔性可穿戴压力传感器，用于全范围的人机接口》。
【5】姜建民，张健：《与人交互的多功能电子墙纸，集成传感器和存储器》。
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