3D打印可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器用于材料感知

來源：EFL生物3D打印與生物制造

觸覺感知對機(jī)器人獲取環(huán)境信息至關(guān)重要，但現(xiàn)有壓阻式的、電容式的等觸覺傳感器缺乏類人腦的信息處理能力，超聲波傳感器剛性強(qiáng)、信號處理復(fù)雜，機(jī)器視覺易受光照影響，難以滿足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中識別材料屬性和表面紋理的需求。  來自華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院江賽華教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器（FT-TENG）。該傳感器采用集成的 PDMS-EGaIn 墨水作為導(dǎo)電電極，通過直接墨水寫入（DIW）3D 打印技術(shù)在 PDMS 基底上制備圖案化柔性導(dǎo)電電路，結(jié)合多層柔性薄膜作為摩擦層實(shí)現(xiàn)全面柔性，并與 1D-CNN 算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對多種材料的高精度識別（準(zhǔn)確率超 99.53%）和表面粗糙度檢測（準(zhǔn)確率超 85.26%）。相關(guān)工作以“Wearable flexible tactile triboelectric sensor Constructed with 3D printing for material perception”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。共同第一作者為華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院的碩士研究生宋滔、孔淇、博士研究生李順，其他作者包括戴康、Nour F. Attia、王和堂，文章通訊作者為華南理工大學(xué)江賽華教授。

研究內(nèi)容
通過示意圖展示和流程說明的研究方法，研究了FT-TENG的制備過程、組成材料的摩擦電序列及工作流程。結(jié)果表明，該傳感器可安裝在機(jī)器人手指表面，通過3D打印制備，利用不同材料的摩擦電特性實(shí)現(xiàn)材料識別和粗糙度檢測。

圖 1. FT-TENG 的制備流程、摩擦電序列及工作流程示意圖（含機(jī)器人手指安裝展示）

通過掃描電鏡觀察、能譜分析、流變學(xué)測試、拉伸實(shí)驗(yàn)、電導(dǎo)率測量等研究方法，研究了不同EGaIn含量的PE墨水的形態(tài)、機(jī)電性能及輸出特性。結(jié)果表明，EGaIn含量影響分散性和導(dǎo)電性，PE墨水具有良好的打印性和拉伸性能，激活后導(dǎo)電性提升，輸出電壓受接觸力和頻率影響。   

圖 2. 不同 EGaIn 含量 PE 墨水的形態(tài)、機(jī)電性能及輸出特性表征

通過摩擦電信號測試、極端環(huán)境（高低溫、濕度）實(shí)驗(yàn)及循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)等研究方法，研究了FT-TENG對不同材料的識別機(jī)制及環(huán)境穩(wěn)定性。結(jié)果表明，傳感器可通過摩擦電信號的峰谷特征識別材料類型，在極端環(huán)境和循環(huán)拉伸后仍能保持識別能力。

圖 3. FT-TENG 的材料識別機(jī)制及極端環(huán)境下的穩(wěn)定性測試結(jié)果

通過信號采集、1D-CNN算法分析等研究方法，研究了FT-TENG對材料類型和表面粗糙度（45號碳鋼、ABS板）的識別效果。結(jié)果表明，傳感器對材料類型的識別準(zhǔn)確率超99.53%，對粗糙度的識別準(zhǔn)確率超85.26%，1D-CNN模型表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和泛化能力。

圖 4. 基于 FT-TENG 的材料類型與表面粗糙度識別效果及模型驗(yàn)證

研究結(jié)論
本研究開發(fā)出一種基于PDMS-EGaIn導(dǎo)電PE墨水和DIW 3D打印技術(shù)的可穿戴柔性觸覺TENG（FT-TENG）傳感器。該傳感器能同時識別接觸材料的類型和表面粗糙度，為未來機(jī)器人配備類人皮膚觸覺傳感器提供了有效方案。為捕獲多通道摩擦電信號，F(xiàn)T-TENG表面覆蓋多種典型摩擦材料，利用其獨(dú)特摩擦電模式可直接識別接觸材料類型。結(jié)合提出的1D-CNN算法并建立材料和粗糙度識別數(shù)據(jù)集后，該傳感器實(shí)現(xiàn)了對材料類型和表面粗糙度的精準(zhǔn)識別，準(zhǔn)確率分別超過99.53%和85.26%。這些結(jié)果表明，F(xiàn)T-TENG可有效應(yīng)用于未來機(jī)器人觸覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效環(huán)境感知和材料識別。此外，該傳感器的自供能、柔性和可穿戴特性使其在智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，有助于推動智能觸覺技術(shù)的發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163924