一種模擬人體皮膚微結構感知行為的高靈敏度柔性觸覺傳感器

供稿人：張菁華 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

柔性觸覺傳感器在電子皮膚、智能機器人、健康監(jiān)測等領域具有巨大潛力。然而，在現(xiàn)有的電子皮膚研究中，缺乏關于檢測不同程度表面粗糙度的柔性觸覺傳感器的研究，在微觀尺度上區(qū)分表面粗糙度仍是一個挑戰(zhàn)。

中國科學院上海高等研究院的研究團隊受到人類手指紋理的啟發(fā)，通過模擬人體皮膚的結構和傳感機制，將聚二甲基硅氧烷（PDMS）微球與石墨烯相結合，設計出了一種3D打印柔性觸覺傳感器，旨在通過對觸覺信號的處理來檢測各種級別的表面粗糙度。

圖1 觸覺傳感器設計原理和打印流程。(a)PDMS-石墨烯復合油墨的制備流程圖；(b)傳感器層3D打印示意圖；(c)通過處理觸覺信號區(qū)分不同粗糙度表面示意圖

研究人員利用乳化的方法制備了PDMS微球，并且通過利用未交聯(lián)的PDMS-石墨烯混合溶液對PDMS微球形成包覆，制備的石墨烯-PDMS微球油墨可以通過噴頭擠出形成三維立體結構，并通過熱固化成型。所構建的具有石墨烯-PDMS微球結構的觸覺傳感器顯示出優(yōu)異的綜合機械性能，傳感層的斷裂伸長率為70%，響應時間為60ms，靈敏度達2.4kPa-1，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。此外，這種多功能性和靈敏度使電子皮膚不僅可以準確監(jiān)測壓力，還可以區(qū)分具有微尺度差異的各種表面形貌，并檢測空氣流體。

圖2 (a)激光加工表面S1、S2、S3、S4的3D形貌；(b)不同表明的平均粗糙度Sa；(c)手指對不同粗糙度表面的觸覺響應實驗結果示意圖；(d)手指與不同表面之間的平均摩擦系數(shù)；(e)用于測試電阻變化的實驗裝置；(f)在壓力載荷作用下，不同粗糙度表面上的摩擦力曲線；(g)摩擦力作用下的電阻變化響應

這項研究表明所構建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器不僅可以檢測不同粗糙度的表面，應用到電子皮膚中，還可以擴展到其他應用，例如氣流監(jiān)測和聲音檢測等。

參考文獻：
1.Wang Haihang,Cen Yuemei,Zeng Xiangqiong. Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking the Microstructure Perception Behavior of Human Skin[J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2021.

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