吉林大学：研究具有3D力检测功能的自供电柔性电子皮肤触觉传感器

背景介绍

仿生功能电子技术是朝着开发与现实世界环境无缝集成的智能技术迈出的重要一步。受人类皮肤感官功能的启发，模仿人类皮肤特征的柔性传感器在商业开发和研究领域都引起了广泛关注，电子皮肤（e-skin）的概念就是一个例子。这种兴趣源于它们在触摸传感技术、人工智能系统、个人健康监测和人机界面等领域的潜在应用。为了模拟人类皮肤的独特特性，柔性传感器必须附着在动态和不规则的表面上，同时能够承受压力、摩擦和弯曲等多重、重复和长期的机械刺激。此外，作为一种多功能耐用的传感器，必须具有高灵敏度、高线性和快速响应时间。
 

到目前为止，已经成功开发了基于不同传感机制的各种类型的柔性物理传感器。作为电子皮肤，这些传感器需要产生易于检测的电信号来测量和量化人类活动。主要的传感机制包括压电效应、电容和压阻效应。这些传感器的独特特征来自于使用不同的复合材料和设备架构。例如，在压阻传感器的情况下，传感能力由传感结构提供，传感结构通常由活性材料组成，如碳纳米管、石墨烯、金属纳米粒子、金属纳米线和混合纳米材料。当感测结构受到应力时，其中的导电材料可以很容易地相对于彼此滑动，即使在较大的应变范围内也能保持导电路径的良好灵活性和完整性。因此，这种应变传感器的可拉伸性在很大程度上取决于滑动机制；然而，由于它们对裂纹扩展机制的强烈依赖，它们通常具有低灵敏度，导致固有的局限性。在压力传感器设计方面，一种主要的信号传导方法是电容式的。电容式压力传感器已成功与纺织品集成，并设计成可弯曲的腕带，用于指尖压力测绘。柔性膜室与用作电容器的平行金属板和用作平面电感器的周围金属线相结合，形成谐振电路，已被用于创建用于压力监测的电感电容压力传感器[20]。然而，这些各种柔性传感器的制造过程通常复杂、昂贵、耗时，并且需要大规模集成纳米材料，这限制了工业大规模生产。此外，这些传感器大多不适合高能耗场景，很少考虑电子皮肤柔性传感器所必需的灵活性。因此，理想情况下，这种灵活的传感器应该具有无线能力，并且独立于外部电源，这将大大提高其应用灵活性。更重要的是，现有的柔性可穿戴传感器只能检测正压，但无法复制人体皮肤感知表面摩擦力的能力，严重限制了功能性e-skin型传感器的应用范围和深度。此外，由于大多数报道的传感器都是扁平或笨重的，因此在活动监测或机器人传感应用中，它们通常需要粘合剂和其他复杂的基材才能附着在人体皮肤或衣服上。这极大地阻碍了它们在可穿戴电子产品中的使用。因此，需要作出更多努力来解决这些问题。
 

TENG是一种新兴的能量收集和自供电传感技术，利用接触带电和静电感应的耦合效应，将无处不在的机械能转化为电能。其输出不仅用作电源，还用作自供电传感器的信号源。TENG技术因其高效、便携、低成本、环保和广泛的可用性而备受青睐，因此在微能量收集和多模态自供电传感领域具有广阔的应用前景。
 

本文亮点

1. 本工作开发了一种丙烯酸酯（AA）-聚谷氨酸（PGA）水凝胶材料，其机械性能与皮肤相似。通过将摩擦电纳米发电机（TENG）集成到AA-PGA水凝胶基质中，构建了一种双模柔性传感器，能够利用生物力学能量进行多向力传感。

2. 该传感器具有高灵敏度、高线性度、快速响应和出色的稳定性。提出了一种机器人手部电子皮肤监测和分析系统的原型，以展示AA-PGA水凝胶传感器的性能。

3. 作为一种自驱动传感器，AA-PGA水凝胶传感器可以实时监测生理信号，如手腕脉搏检测和语音识别。

4. 它还在一系列个性化监测场景中不断展示，包括手写、步数和呼吸监测，进一步证实了其出色的传感能力。

图文解析

 

图1. 紫外光固化AA-PGA复合水凝胶的制备工艺。基于AA-PGA水凝胶的柔性电子设备三维力检测设计策略和应用场景。

图2. AA-PGA水凝胶的表征。（a） AA-PGA水凝胶表面形态的SEM图像。（b） AA-PGA水凝胶的放大图像。（c） PGA和AA-PGA水凝胶的XRD曲线和（d）FTIR光谱。（e） AA-PGA水凝胶的拉伸和（f）压缩应力-应变曲线。（g） AA-PGA水凝胶粘附在不同基质上的剪切强度测试结果。（h） AA-PGA水凝胶的波长依赖性透射光谱。（i） 显示AA-PGA水凝胶透明度的照片。将水凝胶放在校园卡上并没有掩盖标志。

图3. AA-PGA水凝胶传感器的机电性能。响应于（a）不同力水平（0.02-0.5 N）的循环压缩试验和（b和c）不同力级别（0.02-0.2 N）的周期滑动试验的实时电位变化。（d） 当电压信号相似时，实时电容器信号会响应以区分按压和滑动两种模式。（e） AA-PGA水凝胶传感器的拟合指数与连续施加力的关系。（f） 阿什比式图比较了AA-PGA水凝胶传感器的响应时间和尺寸与文献中报道的其他水凝胶力传感器的响应速度和尺寸。

图4. 智能AA-PGA水凝胶传感器在机器人电子皮肤中的应用。（a） 机器人手指能够感知不同方向的压力和摩擦力。（b） 能够检测周围环境中的雨滴。（c） AA-PGA水凝胶传感器的循环稳定性超过1000次循环。（d） 实时监测四个方向收集的电压信号。（e） ANN模型的示意图和（f）方向识别结果的混淆矩阵。

图5. 检测人体微小运动。对喉咙运动的潜在变化反应，包括（a）“Ni”和“NiHao”，以及（b）轻微咳嗽、大声咳嗽和吞咽。（c） AA-PGA水凝胶传感器在不同角度下对手指的电位变化做出反应。（d）书写、（e）吹脸颊和（f）脉搏的潜在变化。（g） 不同频率呼吸时的实时电位变化。（h） 缓慢行走、行走和跑步时的电位信号曲线。

来源：柔性传感及器件

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