电子科大Adv. Funct. Mater.：对法向-切向力具有相反电阻响应传感器助力高灵敏人造皮肤

u2175908346 6年前 (2018-03-19) 5180浏览

【引言】

为了和外界环境兼容以及可附在3D结构上，可穿戴电子皮肤要求是柔性且可拉伸。为了实现这个目的，已经发展了具有多功能的柔性电子皮肤，其中因为柔性力传感器在智能终端的巨大应用，所以发展最快。为了实际探测，实现电子皮肤对法向压力和切向摩擦力的实时探测和区分是非常重要的。相比当前柔性压力传感器或压力-应变传感器，实现法向和切向力探测电子皮肤的研究是非常有限的。对于这类电子皮肤的发展有三个挑战：（1）实现电子皮肤三个方向力探测；（2）实现不同类型力的法向和切向区分；（3）结构简单可大规模制备。这里，研究人员开创新的利用多孔碳纳米管（CNTs）/氧化石墨烯（GO）@聚二甲硅氧烷（PDMS）层构建了全柔性和多方向拉伸的力传感器。这种独特的电子皮肤具有好的稳定性和高灵敏度（传感器对切向摩擦力的最高响应因子高达2.26）。并且对压力和摩擦力的电阻响应相反，实现了对压力和摩擦力的实时探测和电信号区分。

【成果简介】

近日，电子滚球体育大学宋远强副教授、张怀武教授和哈尔滨工业大学解维华教授（共同通讯作者）研究小组联合研发出一款可同时感应压力和摩擦力的柔性电子皮肤。研究者通过制备特殊的石墨烯包裹氯化钠（GO@NaCl）粉体作为致孔剂辅助自组装过程制备了基于CNTs/GO@PDMS复合三维导电网络的电子皮肤。该电子皮肤可同时对纵向压力和切向摩擦力产生响应，并且压力和摩擦力导致的电阻变化方向相反。该电子皮肤尤其对摩擦力具有极佳的灵敏度（在1KPa压力下，摩擦力灵敏度因子高达2.26）。在功能应用上，所制电子皮肤可以实现手腕脉搏实时检测、辨别不同表面粗糙度、探测人体呼吸、感知音乐带来的空气震动等。该研究成果以“Flexible Normal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for Highly Sensitive Artifcial Skin”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。该篇论文的第一作者是电子滚球体育大学的慕春红副教授。

【图文导读】

图1.CNTs/GO@PDMS多孔层制备过程示意图

图2. CNTs/GO@PDMS基电子皮肤形貌表征

(a-d)不同放大倍数的表面形貌SEM图，其中c是GO的SEM图，d是CNT桥接两GO片的裂缝；

(e-h) 不同放大倍数的截面SEM图，h是GO片附在PDMS多孔结构的内表面；

(i) CNTs/GO@PDMS基电子皮肤的两层导电结构示意图。

图3.电子皮肤的机械-电学性能

(a-c) 电子皮肤在弯曲和扭转下的光学照片；

(d) 电子皮肤的应力应变曲线，插图是悬挂200g物体的电子皮肤照片；

(e) 相对电阻随应变变化图；

(f) 相对电阻与弯曲角度的关系，插图是弯曲结构示意图；

(g) 电子皮肤附在机器人关节处的照片；

(h) 附在机器人上电子皮肤扭曲对相对电阻的影响；

(i) 电子皮肤在5000次拉伸应变下的电阻变化；

(j) 电子皮肤在弯曲变形下的电阻变化。

图4.电子皮肤的法向-切向传感性能

(a) 电子皮肤在法向压缩下的相对电阻变化；

(b) 电子皮肤在剪切力下的相对电阻变化；

(d) 在循环压缩下，电子皮肤的相对电阻变化；

(e) 在循环剪切力下，摩擦耐久性测试。

图5.电子皮肤的应用

(a)电子皮肤放在人手腕上的光学照片；

(b) 电子皮肤放在人手腕上的相对电阻变化；

(d) 用软刷和羽毛给电子皮肤施加剪切力的照片；

(e) 软刷给电子皮肤施加温和摩擦下的电阻变化；

(f) 羽毛给电子皮肤施加轻微摩擦下的电阻变化；

(g) 普通打印纸、绵纸和槽绒布的光学照片；

(h) 普通打印纸、绵纸和槽绒布的截面光学照片；

(i) 当普通打印纸、绵纸和槽绒布滑过表面时，电子皮肤的相对电阻变化；

(j) 电子皮肤监测人呼吸的实物照片；

(k) 在人呼吸下，电子皮肤的相对电阻变化；

(l) 音乐引起电子皮肤的相对电阻变化。

【小结】

研究人员通过一个低成本和大规模生产技术制备了高度柔性和可拉伸的CNTs/ GO@PDMS基电子皮肤。这种电子皮肤对切向力和法向力可以产生相反的电阻变化。它还可以准确地监测手腕脉搏，辨别不同粗糙度的表面；以及在非接触模式下，实时人体呼吸检测和辨别音乐震动。这些出色的优点使CNTs/ GO@PDMS基电子皮肤可以广泛应用于机器人、假肢和其他可穿戴电子产品。

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

另外发表的两篇文章，其中一篇为封面文章：

(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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标签：电子皮肤，可穿戴器件