ACS Nano：北京大学成功研制出能够自供电的高分辨率智能皮肤
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近日，在北京大学张海霞教授的带领下，研究人员成功研制出具有高分辨率的智能皮肤。作者利用具有微结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜作为表层，银纳米线（AgNW）为电极，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜为底层，制备出了透明、柔韧、轻薄的智能皮肤，而它最大的亮点是实现了自我供电，工作时本身不需额外的供电设备，从而避免了原本轻薄的智能皮肤却被必需的笨重电池所束缚的尴尬。
摩擦起电，无时无刻到处都在发生着。而作者正是根据摩擦起电和静电感应原理，制备了能够自供电的智能皮肤。目前大多数智能皮肤都采用数字信号，往往需要设法增加像素单元来提高其分辨率，这样不仅提高了成本也增加了能耗。而作者研制的智能皮肤采用模拟信号，一片二维的智能皮肤只需要4个电极便可，其外接端子大大减少，同时可在微弱电能下正常工作。这样，利用物体与智能皮肤接触时的摩擦产生的微弱电荷，来实现自我供电就变得可能了。
这种模拟智能皮肤能够精确定位施力点，平均精度达到1.9毫米，甚至能够感知到仅有0.16克的蜜蜂等昆虫的扰动。这种智能皮肤在人工智能、仿生、机器人领域有很大的应用潜力。
文献导读
摘要：智能皮肤技术大大推动了人工智能的空前发展。提高智能皮肤的分辨率和维持或降低其能耗对机器人提高知觉灵敏性和增加续航时间十分关键。我们主要利用了单电极摩擦起电效应和二维静电感应原理，制备了一种能够自供电的模拟信号智能皮肤，能够感知与之接触物体的位置和速度。这种二维的模拟智能皮肤，采用模拟信号定位方式，分辨率能够达到1.9毫米；其灵敏度也很高，甚至能够捕捉到到蜜蜂的扰动。二维智能皮肤仅仅使用四个外接端子，显著降低了智能皮肤使用的端子数；同时，它利用摩擦起电进行自供电不需要额外的供电设备，完美解决了智能皮肤电池和连接导线的问题。这种透明、柔韧和高灵敏度的智能皮肤由聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和银纳米线（AgNW）电极等材料复合而成。
文献图解:
图1模拟信号智能皮肤的结构
a，模拟智能皮肤的结构示意图
b，透明柔韧轻薄的智能皮肤的实物照片。粉色牡丹花上放有一片智能皮肤并落有一只蜜蜂，牡丹花没有变形。
c，PDMS薄膜微观结构的SEM照片 d，AgNW的SEM照片
PDMS薄膜的制备：首先制备了硅片模具——在硅片上热生长一层二氧化硅，利用光刻的方式构造出10μm长的方形窗口（每个方形窗口间距10μm），再用碱液将二氧化硅层刻蚀掉，漏出硅片层。利用悬涂法将PDMS溶液在硅模具上旋涂成型，稳定后将PDMS薄膜小心剥离模具，即制成具有微结构的PDMS薄膜，如图1-c所示。
AgNW电极的制备：先制备出一定浓度的AgNW“溶液”后，将其滴在PET薄膜上并选进行旋涂，如此反复10次。100°C下退火后，同样利用光刻的方法画出所需的电极，将其他区域的AgNW移除并反复清洗干净。最后将电极处的光刻胶洗去，这样便把AgNW电极放置在PET薄膜上，即两组相对并相互正交的4个电极。（即矩形的四条边，每边有一个电极）
图2 模拟智能皮肤的工作原理
a， 智能皮肤工作的不同阶段电荷分布和电流变化
b，模拟智能皮肤的静电原理分析
c，电极电压和水平位置之间的关系，插图显示了左右电极之间的电压比
d，电极电压和水平位置之间的关系
e，智能皮肤的等效电路模型
f，利用e中的等效电路图和模拟电路仿真系统（SPICE）进行左、右电极的输出电压的实时测量
g，智能皮肤的不同频率下的测试分析。在低频时，电极电压取决于C1和C2的比率；在高频时，比率趋近于1。插图中的频率特征曲线显示不同频率下的相位移
h，不同电荷位置的电压贡献情况，单位为伏特（V）
i，电荷改变时电极a和电极c的电压比（电极a、c为一组相对电极）
j，电荷改变时电极b和电极d的电压比（电极b、d为一组相对电极）
当物体（手指）和智能皮肤表面接触（如图2-a）。在手指和PDMS表面分别带有正负相反的电荷。此时，仅在手指和PDMS薄膜接触的区域带有电荷，电极的电压不会受到电荷的影响。而当手指远离PDMS表面，PDMS表面的的负电荷会诱导电极处产生正电荷。由于负电荷和电极之间的距离不同，诱导产生的正电荷数量也就不同，因此当手指离开，从大地到各个电极产生的电流是不同的；当手指离开的足够远时，电极处达到最终的最大电荷数。当手指再次接触PDMS薄膜，电极处之前的电荷会被排斥并流向大地，因而产生反向电流。
根据测试结果，如图2-c所示，左右电极的电压受到PDMS薄膜上负电荷水平位置的影响。水平位置的改变能够导致两个电极电压呈相反的单调变化趋势。当电荷位置从左至右变化，相对电极的电压比单调减小，如图2-c中的插图所示。
此外，U1和U2（分别为两个电极的电压）的比值不受Q（电荷数）变化的影响，因为Q同时影响U1和U2，这意味着电压比有着较强的稳定性，不受湿度和温度等能够影响摩擦起电效应的环境因素的影响。基于电压比为单调且连续的变化趋势，模拟智能皮肤的分辨率理论上是没有上限的。
图3.在平展表面上智能皮肤的测试
a，特征点（3,3）、（5,1）、（5,3）处四个电极的电压输出
b，在点（1,2）处四个电极的电压输出值（频率8Hz，测试160次）
c，两相对电极在点（1,2）的电压比显示了很好的集中性（测试160次）
d，图c中的电压比的统计分布的双对数坐标图和二维正态分布
e，从（1,1）到（5,5）25个检测点测试时电极a和电极c的电压比
f ，从（1,1）到（5,5）25个检测点测试时电极b和电极d的电压比
g，在点（2.00,4.00）处增加额外的测试时的电压的输。电压比R-ac=0.679， R-bd= 1.240
h，图e（R-ac= 0.679）和图f（R-bd= 1.240）的电压比轮廓线在底表面（xy平面）上投影，其投影在点（2.12,4.02）处有交叉点，该点便是智能皮肤定位到的接触点的位置。（该智能皮肤正式利用这种方式，对接触时产生的模拟信号进行处理，实现精确定位）
图4 接触位置和接触速度对模拟智能皮肤输出结果的影响
图4-a~d:用裸露的手指对智能皮肤的9个不同位置（如图4-b中的插图）进行测试时，相对电极的电压输出（图a）和电压比率（图b）。当测试的基础速度从1级测试增加到4级测试时相对电极的电压输出（图c）和电压比率（图d）。
如图4-b所示，用裸露的手指对智能皮肤的9个测试点进行测试，在对同一行的测试点从左向右进行测试，电极bd的电压比R-bd减小，而电极ac的电压比R-ac保持不变。而当测试点位置从底部一行到上一行变化，R-ac减小而R-bd保持不不变。
如图4-c所示，当增加接触速度时，电极电压输出具有明显的增加；但接触速度的改变对于相对电极的电压比没有影响（4-d），因此不会影响智能皮肤对接触位置的判断。
图5 智能皮肤在人工手上的测试
a，人工手照片：在手背上覆盖有二维模拟智能皮肤，在中指上覆盖有一维模拟智能皮肤（即只需要一组相对的2个电极）
b，当一只蜜蜂迅速到达和离开时二维智能皮肤时的电压输出
c&d，电极a-d的电压比率
e，在人工手背上的二维皮肤被触碰时电压的输出
f，在人工手上测试时，智能皮肤对接触位置定位的结果：测试点为（2.50,2.50），输出的结果是（2.53,2.50），有0.3毫米的轻微偏差
【小结】
作者将PDMS薄膜、AgNW电极和PET薄膜复合，制成了智能皮肤，利用摩擦起电原理实现了智能皮肤的自我供电，不需要外加电池；在摩擦起电的基础上，作者还巧妙的利用静电感应原理，仅用四个电极便能产生可靠的模拟信号从而实现接触点的定位，同时还能识别不同的接触速度和离开速度。目前，该智能皮肤的平均分辨率为1.9毫米，在一些测试中分辨率甚至能够达到0.3mm。而这种定位方式在理论上讲，分辨率是是没有上限的。
本文由材料人编辑部王宇提供素材，李卓编辑整理。
原文参考链接：Smart skin is powered by the objects it touches
文献原文链接：ACS Nano：Self-Powered Analogue Smart Skin
文献补充图表链接：Supporting Information Self-Powered Analogue Smart Skin
实验测试视频链接：
圈圈，这篇的工作量挺大的啊