Adv.Mater.：基于溫度感知多功能傳感器的電子皮膚

【引言】

感覺在人類與外部環境的接觸中扮演著重要的角色。人類的皮膚會感知熱和機械的刺激，并經神經系統進行分析，隨后轉變為相應的生理響應，以確保人類對外部環境做出快速反應并保證人類安全。近來，研究者們在具有類人感知能力的柔性人造電子皮膚方面的研究中做出了巨大努力，這些成果可應用在皮膚修復、類人機器人以及可穿戴的健康監控系統中。歸功于精巧的觸覺感知、大面積的觸覺映像、光學可視化以及無線監控系統的發展，基于微/納米材料的柔性壓力傳感器達到了更高級的特性。集成在不同襯底上的壓力和溫度傳感器逐漸被用來模擬人體皮膚對于外部機械和熱的刺激的復雜感知系統。盡管人造電子皮膚已經達到了很高的復雜度，但是諸如多功能模塊的集成、更簡單的制作工藝以及大面積和低成本的應用等挑戰依然擺在廣大研究者的面前。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的朱榮教授（通訊作者）等人報道了一種具備多重感知能力的類人多功能電子皮膚，這項研究成果以“Electronic Skin with Multifunction Sensors Based on Thermosensation”為題發表在了2017年2月13日的Advanced Materials上。

實驗中的電子皮膚具備感知外界溫度和壓力刺激的能力，同時還能區分物質的種類并感知風的吹動，從而達到了人類皮膚這樣一個精巧的傳感系統的程度。實驗裝置中熱敏的鉑薄膜沉積在柔性的聚酰亞胺襯底上，被用來模擬人類皮膚上的多重傳感器。鉑首先被加熱到一較高溫度，當鉑接觸到某物體時，由于熱傳遞，熱敏元素會對物體的熱導率進行響應，從而影響其溫度，達到鑒別不同物質的作用。對于風的感知基于風吹動時溫度的改變，而對于壓力的感應則是因為鉑上的多孔彈性體在外部壓力下會發生彈性形變從而影響其熱導率的原理。

【圖文導讀】

圖1 多功能電子皮膚設計圖

（a）傳感單元交錯布置的柔性電子皮膚

（b）覆蓋（右）和未覆蓋（左）PDMS的傳感單元的設計

（c-f）分別感知溫度、風、鑒別物質、感知壓力時的工作示意圖

（g）傳感單元的放大圖

（h）電子皮膚的分解圖

（i）附著于手上的電子皮膚原型照片

圖2 電子皮膚的壓力和溫度感知能力

（a）電子皮膚的壓力響應

（b）使用不同混合比例PDMS的電子皮膚的壓力響應

（c）使用不同厚度PDMS的電子皮膚的壓力響應

（d）不同加熱溫度下電子皮膚的壓力響應

（e）壓力傳感器的動態響應

（f）不同重量下3x3傳感器陣列的壓力測量圖

（g）加熱和冷卻過程中電子皮膚的溫度響應

（h）逐滴滴加熱水時溫度傳感器的動態響應

（i）在2x2傳感器陣列上分別放置加熱的L型銅片和間隔30s進行冷卻操作時電子皮膚的溫度分布圖

圖3 物體識別和感知風吹動的能力

（a）室溫下電子皮膚接觸不同材料時的輸出電壓響應

（b）水滴在傳感器陣列上進行滴加時相應的水滴分布圖

（c）不同吹動角度下風速為0-6 m s^-1時電子皮膚的輸出電壓

（d）不同風速下吹動角度為0到90度時電子皮膚相應的輸出電壓

（e）利用加熱薄膜的正交結合區分風速和吹風角度的方法示意圖

圖4 電子皮膚的多模式傳感能力

（a）電子皮膚在測量溫度和壓力下的多模式傳感性

（b）電子皮膚在測量溫度和物體種類下的多模式傳感性

【小結】

本文研究了基于熱感元件的多功能類人電子皮膚，其對外部的熱和機械刺激具備多重感知能力，并且可以區分物體種類并感知風的吹動。由于外部熱傳遞和熱導率的變化，所以熱敏元素鉑可以對外界的刺激做出反應并將其輸出為可測量的電信號，這就使得這種電子皮膚雖然集成了多種功能，但是并沒有增加器件的復雜程度。這為研究類人皮膚的電子皮膚提供了研究思路，并且結合柔性的印刷電路，這種器件的制作流程也使大規模、低成本地制作器件成為可能。

文獻鏈接：Electronic Skin with Multifunction Sensors Based on Thermosensation（Adv.Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606151）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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