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中国学者首创“一触即识”!你的触觉有它灵敏吗?

研究背景

相信很多人都已经用过可穿戴手表、手环等,感觉到科技带给我们的生活体验。可穿戴技术(wearable technology),最早是20世纪60年代由麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术。利用该技术,可以把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣物中,可支持手势和眼动操作等多种交互方式,主要探索和创造可直接穿戴的智能设备。随着计算机软硬件和互联网技术的高速发展,可穿戴式智能设备的形态开始多样化,逐渐在工业、医疗健康、军事、教育、娱乐等领域表现出广阔的应用潜力。这些可穿戴设备是通过采集用户皮肤的数据来呈现信息,传感器在其中起到很重要的作用。

面对越来越多的特殊信号和特殊环境,新型传感器技术已向以下趋势发展:开发新材料、新工艺和开发新型传感器;实现传感器的集成化和智能化;实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化;与其它学科的交叉整合的传感器。同时,希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。柔性传感器种类较多,分类方式也多样化。按照用途分类,柔性传感器包括柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等;按照感知机理分类,柔性传感器包括柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对复杂被测量物体进行检测。新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子、电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用。

目前我们已经在机器人技术和可穿戴式健康监测设备中实现了电子皮肤和柔性传感器的应用,以检测周围环境中的应变、振动以及施加压力的方向。此外,还利用纳米通道来制作可拉伸的热敏电阻,并使用可拉伸的门控传感器来收集物体的温度。未来模仿人类皮肤特征的重要方向在于多功能感测的发展,尤其是在推断材料特性方面。摩擦电子纳米发电机(TENG)是填补技术差距的一种有前途的替代方法。不同材料间的摩擦起电可以反映材料的自然物理性质,但主要受到外加压力和温度的影响。将TENG与其他传感器集成可能为实现类皮肤传感系统提供一个简单的解决方案,未来机器人的性能可以得到提高,并且对于触觉受损的用户,这也是一个解决办法!

研究成果

近日,中科院王中林院士课题组研发了一种多功能触觉自供电传感器,可实现压力、温度和材料感测。构造方法采取多层堆叠的形式:(i)疏水聚四氟乙烯(PTFE)膜作为带电层,(ii)两张铜镀银纳米线(Ag NWs)薄膜电极,以及(iii)海绵状石墨烯/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料作为压阻响应元件

和热电效应。该设备具有高温检测分辨率和压力感应灵敏度的特点,分别为1 K15.22 kPa-1。这个设备的关键概念在于根据PTFE薄膜和物体之间产生的电信号推断材料特性。这项工作开辟了多功能触觉中使用自供电传感器的新思路。这项研究工作以“Hierarchically patterned self-powered sensors formultifunctional tactile sensing”为题发表在国际顶期刊Science Advances上。

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图文速递

图1是该多功能传感器的结构和工作机理,可以看出,这种传感器主要由疏水性PTFE膜、双面胶带、石墨烯/PDMS海绵和两个Cu片组成。传感器设计包括两个垂直堆叠的有源部件,以实现对压力、温度和材料特性的独立识别。PTFE具有耐用性和防水性的优点。压力的感应机制是由于压阻感应,该感应利用电极与导电石墨烯/PDMS海绵之间的接触电阻。为了实现材料识别,作者利用了摩擦带电的优势,摩擦带电是一种众所周知的现象,具有材料的自然物理特性。当物体与PTFE膜接触时,由于麦克斯韦的位移电流而出现电传输。

这种传感器的独特之处在于它们实现材料识别的能力。由于通用触点带电,任何两种不同的材料都可以感应摩擦电信号。基于此特性,当PTFE薄膜与其他材料接触时,设备会显示出多种输出信号。首先,为了确保对此过程的独特描述,作者研究了固定在线性电动机上以保持相同压力和频率的五种扁平材料响应情况,结果表明获得的FEP输出电压高于其他材料。PTFE薄膜和接触材料产生的输出值和极性的区别使其可用于推断材料性能。在3000个循环后保持稳定,稳定的热电转换可以灵敏地检测温度变化。并且传感器具有出色的热稳定性,可以在不同条件下发挥出色的性能,使其适用于智能可穿戴元件以探测高温物体。

通过双面胶带将传感器(可穿戴电子设备)轻轻地连接到人的手指上,以说明其潜在的应用(图4A)。红外热图像显示传感器的表面温度低于手指的表面温度(图4B)。近日,有特殊润湿性的生物系统已经开发,克服了许多学术界和工业界的问题。这种具有疏水特性的传感器将使人或机器人手指更适用于控制液体。如图4C所示,可以方便地控制小水滴并通过光学显微镜观察。该装置的这种液体控制的性能可以满足许多生物和生物医学应用的要求。压力传感器显示了快速响应并识别了施加在杯子上压力的差异。它可以帮助机器人或残障患者在物体上施加适量的力。温度感测是另一个必不可少的功能,它可以提供有关被接触物体温度的信息。该传感器具有出色的功能,可以基于通用触点带电实现材料识别。TENG可以响应于接触释放运动生成输出电压信号。将这些电压信号与查找表算法集成在一起,可以帮助机器人实现接触物体的材料识别。此外,该设备还可以实现对柔性物体的压力,温度和材料感测。

结论与展望

综上所述,对于便携式应用,传感设备应具有低成本和低功耗的特点。作者提出了一种简单、低成本的方法用疏水性PTFE薄膜和海绵状石墨烯/PDMS复合材料制备多功能传感器,并有望实现大规模生产。利用复合材料的压阻和热电特性,传感器表现出压力敏感性和自供电的温度感应,精确度分别为15.22 kPa-11K。使用接触带电可以对物体进行材料识别。这种方法为多功能传感器的应用提供了借鉴!相信在未来,这种传感器可以实现应用,我们也可以再一次感受科技给生活带来的便利!

原文链接
https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083


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