3D打印可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器用于材料感知

來源：EFL生物3D打印與生物制造

觸覺感知對機器人獲取環(huán)境信息至關重要，但現有壓阻式的、電容式的等觸覺傳感器缺乏類人腦的信息處理能力，超聲波傳感器剛性強、信號處理復雜，機器視覺易受光照影響，難以滿足機器人在復雜環(huán)境中識別材料屬性和表面紋理的需求。  來自華南理工大學機械與汽車工程學院江賽華教授團隊開發(fā)了一種可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器（FT-TENG）。該傳感器采用集成的 PDMS-EGaIn 墨水作為導電電極，通過直接墨水寫入（DIW）3D 打印技術在 PDMS 基底上制備圖案化柔性導電電路，結合多層柔性薄膜作為摩擦層實現全面柔性，并與 1D-CNN 算法結合，實現對多種材料的高精度識別（準確率超 99.53%）和表面粗糙度檢測（準確率超 85.26%）。相關工作以“Wearable flexible tactile triboelectric sensor Constructed with 3D printing for material perception”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。共同第一作者為華南理工大學機械與汽車工程學院的碩士研究生宋滔、孔淇、博士研究生李順，其他作者包括戴康、Nour F. Attia、王和堂，文章通訊作者為華南理工大學江賽華教授。

研究內容
通過示意圖展示和流程說明的研究方法，研究了FT-TENG的制備過程、組成材料的摩擦電序列及工作流程。結果表明，該傳感器可安裝在機器人手指表面，通過3D打印制備，利用不同材料的摩擦電特性實現材料識別和粗糙度檢測。

圖 1. FT-TENG 的制備流程、摩擦電序列及工作流程示意圖（含機器人手指安裝展示）

通過掃描電鏡觀察、能譜分析、流變學測試、拉伸實驗、電導率測量等研究方法，研究了不同EGaIn含量的PE墨水的形態(tài)、機電性能及輸出特性。結果表明，EGaIn含量影響分散性和導電性，PE墨水具有良好的打印性和拉伸性能，激活后導電性提升，輸出電壓受接觸力和頻率影響。   

圖 2. 不同 EGaIn 含量 PE 墨水的形態(tài)、機電性能及輸出特性表征

通過摩擦電信號測試、極端環(huán)境（高低溫、濕度）實驗及循環(huán)拉伸實驗等研究方法，研究了FT-TENG對不同材料的識別機制及環(huán)境穩(wěn)定性。結果表明，傳感器可通過摩擦電信號的峰谷特征識別材料類型，在極端環(huán)境和循環(huán)拉伸后仍能保持識別能力。

圖 3. FT-TENG 的材料識別機制及極端環(huán)境下的穩(wěn)定性測試結果

通過信號采集、1D-CNN算法分析等研究方法，研究了FT-TENG對材料類型和表面粗糙度（45號碳鋼、ABS板）的識別效果。結果表明，傳感器對材料類型的識別準確率超99.53%，對粗糙度的識別準確率超85.26%，1D-CNN模型表現出良好的穩(wěn)定性和泛化能力。

圖 4. 基于 FT-TENG 的材料類型與表面粗糙度識別效果及模型驗證

研究結論
本研究開發(fā)出一種基于PDMS-EGaIn導電PE墨水和DIW 3D打印技術的可穿戴柔性觸覺TENG（FT-TENG）傳感器。該傳感器能同時識別接觸材料的類型和表面粗糙度，為未來機器人配備類人皮膚觸覺傳感器提供了有效方案。為捕獲多通道摩擦電信號，FT-TENG表面覆蓋多種典型摩擦材料，利用其獨特摩擦電模式可直接識別接觸材料類型。結合提出的1D-CNN算法并建立材料和粗糙度識別數據集后，該傳感器實現了對材料類型和表面粗糙度的精準識別，準確率分別超過99.53%和85.26%。這些結果表明，FT-TENG可有效應用于未來機器人觸覺系統(tǒng)，實現高效環(huán)境感知和材料識別。此外，該傳感器的自供能、柔性和可穿戴特性使其在智能機器人、可穿戴設備和人機交互領域具有應用前景，有助于推動智能觸覺技術的發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163924