上海高研院在柔性觸覺(jué)傳感研究中取得進(jìn)展
近日,中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員曾祥瓊帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì),在基于碳材料的3D打印柔性觸覺(jué)傳感器件的研究中取得進(jìn)展,相關(guān)研究成果以A Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking The Microstructure Perception Behavior of Human Skin為題,發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。 電子皮膚是通過(guò)電學(xué)信號(hào)的集成與反饋來(lái)模擬人體皮膚感受外界刺激(壓力、溫度、濕度)的新型電子器件。過(guò)去幾十年,電子皮膚因在智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互方面具有廣闊的應(yīng)用前景而廣受關(guān)注。在電子皮膚的各種感知功能中,觸覺(jué)感知功能尤為重要。 上海高研院科研人員通過(guò)模擬人體皮膚的結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)制,創(chuàng)造性地將聚二甲基硅氧烷(PDMS)微球與石墨烯結(jié)合,設(shè)計(jì)出一種具有指紋微結(jié)構(gòu)的新型多功能電子皮膚,提出了一種石墨烯-PDMS微球油墨3D打印制備柔性傳感器的方法。如圖1(a)(b)所示的打印原理,研究人員利用乳化的方法制備出PDMS微球,并通過(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。 傳感性能研究發(fā)現(xiàn),科研人員構(gòu)建的電子皮膚傳感器不僅對(duì)壓力具有靈敏響應(yīng),而且能有效反饋摩擦力的大。焕脗鞲衅鬟@一特性可以區(qū)分出具有不同微米級(jí)粗糙度的表面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的微觀形貌、硬度等信息的有效區(qū)分和識(shí)別(圖2)。通過(guò)風(fēng)載實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺(jué)傳感器對(duì)氣體等流體也具有有效響應(yīng)。這表明所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺(jué)傳感器不僅可以用于對(duì)不同粗糙度表面的檢測(cè),還可用于氣流監(jiān)測(cè)、聲音檢測(cè)等。該研究為可穿戴式傳感提供了新途徑,為電子皮膚的發(fā)展提供了新思路。 圖1.觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)原理及3D打印流程。(a)PDMS-石墨烯復(fù)合油墨的制備流程示意圖;(b)傳感器靈敏層3D打印示意圖;(c)通過(guò)處理觸覺(jué)信號(hào)區(qū)分不同粗糙度表面的示意圖 圖2.(a)激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌;(b)激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa);(c)人體手指對(duì)不同粗糙度表面的觸覺(jué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖;(d)手指與不同表面作用下的平均摩擦系數(shù);(e)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(f)在1N的壓力載荷作用下,在不同表面粗糙度的激光加工表面滑動(dòng)時(shí)的摩擦力曲線;(g)摩擦力作用下傳感器的電阻變化。 |