電子科大Adv. Funct. Mater.：對法向-切向力具有相反電阻響應傳感器助力高靈敏人造皮膚

u2175908346 6年前 (2018-03-19) 4901瀏覽

【引言】

為了和外界環境兼容以及可附在3D結構上，可穿戴電子皮膚要求是柔性且可拉伸。為了實現這個目的，已經發展了具有多功能的柔性電子皮膚，其中因為柔性力傳感器在智能終端的巨大應用，所以發展最快。為了實際探測，實現電子皮膚對法向壓力和切向摩擦力的實時探測和區分是非常重要的。相比當前柔性壓力傳感器或壓力-應變傳感器，實現法向和切向力探測電子皮膚的研究是非常有限的。對于這類電子皮膚的發展有三個挑戰：（1）實現電子皮膚三個方向力探測；（2）實現不同類型力的法向和切向區分；（3）結構簡單可大規模制備。這里，研究人員開創新的利用多孔碳納米管（CNTs）/氧化石墨烯（GO）@聚二甲硅氧烷（PDMS）層構建了全柔性和多方向拉伸的力傳感器。這種獨特的電子皮膚具有好的穩定性和高靈敏度（傳感器對切向摩擦力的最高響應因子高達2.26）。并且對壓力和摩擦力的電阻響應相反，實現了對壓力和摩擦力的實時探測和電信號區分。

【成果簡介】

近日，電子科技大學宋遠強副教授、張懷武教授和哈爾濱工業大學解維華教授（共同通訊作者）研究小組聯合研發出一款可同時感應壓力和摩擦力的柔性電子皮膚。研究者通過制備特殊的石墨烯包裹氯化鈉（GO@NaCl）粉體作為致孔劑輔助自組裝過程制備了基于CNTs/GO@PDMS復合三維導電網絡的電子皮膚。該電子皮膚可同時對縱向壓力和切向摩擦力產生響應，并且壓力和摩擦力導致的電阻變化方向相反。該電子皮膚尤其對摩擦力具有極佳的靈敏度（在1KPa壓力下，摩擦力靈敏度因子高達2.26）。在功能應用上，所制電子皮膚可以實現手腕脈搏實時檢測、辨別不同表面粗糙度、探測人體呼吸、感知音樂帶來的空氣震動等。該研究成果以“Flexible Normal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for Highly Sensitive Artifcial Skin”為題發表在Adv. Funct. Mater.上。該篇論文的第一作者是電子科技大學的慕春紅副教授。

【圖文導讀】

圖1. CNTs/GO@PDMS多孔層制備過程示意圖

圖2. CNTs/GO@PDMS基電子皮膚形貌表征

(a-d)不同放大倍數的表面形貌SEM圖，其中c是GO的SEM圖，d是CNT橋接兩GO片的裂縫；

(e-h) 不同放大倍數的截面SEM圖，h是GO片附在PDMS多孔結構的內表面；

(i) CNTs/GO@PDMS基電子皮膚的兩層導電結構示意圖。

圖3. 電子皮膚的機械-電學性能

(a-c) 電子皮膚在彎曲和扭轉下的光學照片；

(d) 電子皮膚的應力應變曲線，插圖是懸掛200g物體的電子皮膚照片；

(e) 相對電阻隨應變變化圖；

(f) 相對電阻與彎曲角度的關系，插圖是彎曲結構示意圖；

(g) 電子皮膚附在機器人關節處的照片；

(h) 附在機器人上電子皮膚扭曲對相對電阻的影響；

(i) 電子皮膚在5000次拉伸應變下的電阻變化；

(j) 電子皮膚在彎曲變形下的電阻變化。

圖4. 電子皮膚的法向-切向傳感性能

(a) 電子皮膚在法向壓縮下的相對電阻變化；

(b) 電子皮膚在剪切力下的相對電阻變化；

(d) 在循環壓縮下，電子皮膚的相對電阻變化；

(e) 在循環剪切力下，摩擦耐久性測試。

圖5. 電子皮膚的應用

(a)電子皮膚放在人手腕上的光學照片；

(b) 電子皮膚放在人手腕上的相對電阻變化；

(d) 用軟刷和羽毛給電子皮膚施加剪切力的照片；

(e) 軟刷給電子皮膚施加溫和摩擦下的電阻變化；

(f) 羽毛給電子皮膚施加輕微摩擦下的電阻變化；

(g) 普通打印紙、綿紙和槽絨布的光學照片；

(h) 普通打印紙、綿紙和槽絨布的截面光學照片；

(i) 當普通打印紙、綿紙和槽絨布滑過表面時，電子皮膚的相對電阻變化；

(j) 電子皮膚監測人呼吸的實物照片；

(k) 在人呼吸下，電子皮膚的相對電阻變化；

(l) 音樂引起電子皮膚的相對電阻變化。

【小結】

研究人員通過一個低成本和大規模生產技術制備了高度柔性和可拉伸的CNTs/ GO@PDMS基電子皮膚。這種電子皮膚對切向力和法向力可以產生相反的電阻變化。它還可以準確地監測手腕脈搏，辨別不同粗糙度的表面；以及在非接觸模式下，實時人體呼吸檢測和辨別音樂震動。這些出色的優點使CNTs/ GO@PDMS基電子皮膚可以廣泛應用于機器人、假肢和其他可穿戴電子產品。

文獻鏈接： Flexible Normal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for Highly Sensitive Artifcial Skin（Adv. Funct. Mater. ，2018, DOI: 10.1002/adfm.201707503）

另外發表的兩篇文章，其中一篇為封面文章：

(1) Chunhong Mu, Y. Q. Song*, et al. High solar desalination efficiency achieved with three-dimensional Cu2ZnSnS4 nanosheet-assembled membranes (Advanced Sustainable System, 2017 (1) 1700064. Cover)

(2) Chunhong Mu, Y. Q. Song*, et al. Enhanced piezocapacitive effect in CaCu₃Ti₄O₁₂-polydimethylsiloxane composited sponge for ultrasensitive flexible capacitive sensor. ACS Applied Nano Materials, 2017, DOI: 10.1021/acsanm.7b00144.

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標簽：電子皮膚，可穿戴器件