一種模擬人體皮膚微結(jié)構(gòu)感知行為的高靈敏度柔性觸覺傳感器

供稿人：張菁華 李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

柔性觸覺傳感器在電子皮膚、智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有巨大潛力。然而，在現(xiàn)有的電子皮膚研究中，缺乏關(guān)于檢測(cè)不同程度表面粗糙度的柔性觸覺傳感器的研究，在微觀尺度上區(qū)分表面粗糙度仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院的研究團(tuán)隊(duì)受到人類手指紋理的啟發(fā)，通過(guò)模擬人體皮膚的結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)制，將聚二甲基硅氧烷（PDMS）微球與石墨烯相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種3D打印柔性觸覺傳感器，旨在通過(guò)對(duì)觸覺信號(hào)的處理來(lái)檢測(cè)各種級(jí)別的表面粗糙度。

圖1 觸覺傳感器設(shè)計(jì)原理和打印流程。(a)PDMS-石墨烯復(fù)合油墨的制備流程圖；(b)傳感器層3D打印示意圖；(c)通過(guò)處理觸覺信號(hào)區(qū)分不同粗糙度表面示意圖

研究人員利用乳化的方法制備了PDMS微球，并且通過(guò)利用未交聯(lián)的PDMS-石墨烯混合溶液對(duì)PDMS微球形成包覆，制備的石墨烯-PDMS微球油墨可以通過(guò)噴頭擠出形成三維立體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱固化成型。所構(gòu)建的具有石墨烯-PDMS微球結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器顯示出優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，傳感層的斷裂伸長(zhǎng)率為70%，響應(yīng)時(shí)間為60ms，靈敏度達(dá)2.4kPa-1，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。此外，這種多功能性和靈敏度使電子皮膚不僅可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)壓力，還可以區(qū)分具有微尺度差異的各種表面形貌，并檢測(cè)空氣流體。

圖2 (a)激光加工表面S1、S2、S3、S4的3D形貌；(b)不同表明的平均粗糙度Sa；(c)手指對(duì)不同粗糙度表面的觸覺響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖；(d)手指與不同表面之間的平均摩擦系數(shù)；(e)用于測(cè)試電阻變化的實(shí)驗(yàn)裝置；(f)在壓力載荷作用下，不同粗糙度表面上的摩擦力曲線；(g)摩擦力作用下的電阻變化響應(yīng)

這項(xiàng)研究表明所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器不僅可以檢測(cè)不同粗糙度的表面，應(yīng)用到電子皮膚中，還可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用，例如氣流監(jiān)測(cè)和聲音檢測(cè)等。

參考文獻(xiàn)：
1.Wang Haihang,Cen Yuemei,Zeng Xiangqiong. Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin[J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2021.

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