雙層感測能實現(xiàn)緊湊的順應(yīng)性傳感器

在人類皮膚內(nèi)的緩慢適應(yīng)（SA）受體中，SA-I（Merkel cell）和SA-II（Ruffini organ）在順應(yīng)性感覺中起關(guān)鍵作用。前者以高分辨率測量施加在皮膚上的靜壓，而后者則能夠檢測皮膚的伸展。隨著可拉伸材料和微細加工技術(shù)的發(fā)展，報道了能夠檢測溫度以及靜態(tài)和動態(tài)力的柔性傳感器。由于順應(yīng)性傳感器是一種重要的感測塊，因此需要對其進行開發(fā)并將其集成到人造皮膚上，以為假肢或機器人系統(tǒng)提供類似人的感覺。然而，已有的四種傳感機制（轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀取的電信號）的傳感器外部組件（精密光學(xué)測量組件等）體積龐大，因此將這些傳感器用于需求緊湊的外形尺寸的應(yīng)用中仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。此外，順應(yīng)性傳感設(shè)備復(fù)雜是因為其需要同時測量施加的壓力和變形信息兩個參數(shù)以檢測物體的順應(yīng)性。在沒有耦合效應(yīng)的情況下，將壓力和應(yīng)變傳感器集成也是一項挑戰(zhàn)。如要開發(fā)可集成到人造皮膚或機器人系統(tǒng)中的順從性傳感器，則需要滿足以下要求：1）應(yīng)該具有易于集成的緊湊型尺寸；2）不需要大型外部組件或集成系統(tǒng)中的重大結(jié)構(gòu)更改；3）傳感器應(yīng)該具有解耦可靠性能。

基于此，斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授（通訊作者）團隊報道了一種仿生的、薄順應(yīng)性傳感器。利用該傳感器可同時檢測人體皮膚中類似于SA-I和SA-II的壓力和應(yīng)變，而無需任何笨重的外部組件且不會占用相當大的體積。為了模擬SA-I和SA-II的拉伸和壓力感應(yīng)能力，研究人員將基于薄膜的應(yīng)變傳感器（MBSS）耦合到壓力傳感器，以識別接觸的材料。實驗結(jié)果證實，該混合傳感器可以同時捕獲所接觸材料的表面變形和所施加的壓力。通過利用基于電阻和電容的傳感器，研究人員為MBSS開發(fā)了兩種不同的傳感方法。例如，當分別測試模量為75 GPa和20 kPa的材料時，電阻傳感器的靈敏度為11 Ω/N和104 Ω/ N。同樣，對于類似材料，電容式傳感器的靈敏度分別為80 fF/N（femtofarad Newton）和1280 fF/N。同時，還展示了通過減小薄膜的厚度可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，尤其是需要更高的分辨率時。此外，傳感器的薄型和小尺寸使其能夠應(yīng)用于不同的應(yīng)用中。首先，將傳感器集成到機械手的手指上，并能確定抓握物體的順應(yīng)性。其次，通過構(gòu)建陣列傳感器能夠繪制出由不同材料制成的物體的表面圖，對于檢測組織內(nèi)部的不規(guī)則物體（如腫瘤）非常有用。

研究人員提出了一種雙層感測方法，以實現(xiàn)這種緊湊的順應(yīng)性傳感器。其中，第一層由可拉伸薄膜組成以檢測被觸摸材料的表面變形，第二層由壓力傳感器組成。通過對齊和層壓柔性層可以制造傳感器陣列。應(yīng)變傳感器（MBSS）由相對于柱狀結(jié)構(gòu)上的圓形開口對齊的基于電容或電阻的應(yīng)變傳感器組成。當MBSS與材料接觸時，它會隨著接觸壓力的增加而變形。同時，由壓力傳感器測量施加的壓力。結(jié)合MBSS和壓力傳感器的輸出，可以為每個對象計算出靈敏度（S，應(yīng)變響應(yīng)與壓力響應(yīng)的比值），而S可以區(qū)分不同柔順性的材料（S較大即代表柔順性更高的材料）。

圖1、檢測材料的順應(yīng)性

研究人員通過開發(fā)了有限元（FE）模型，以確定傳感器的重要幾何和材料特征以及對不同順應(yīng)性的材料的響應(yīng)。當半徑從0.5 mm增加到2 mm時，MBSS的撓度增加了4倍以上。通過將MBSS的模量從0.25 MPa變到2 MPa時，位移沒有顯著差異。當使用半徑為1 mm且厚度為50 μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜識別模量為0.25和1 MPa的材料時，其靈敏度幾乎提高了兩倍，而10 MPa的材料對徑向應(yīng)變幾乎沒有響應(yīng)。在小的變形狀態(tài)中，變形的增加會增加薄膜的曲率，從而導(dǎo)致電容的增加。進一步使薄膜變形，電極之間的間隙由于拉伸而增大，并主導(dǎo)了曲率效應(yīng)，電容開始減小。

圖2、獨立式順應(yīng)性感測單元的FE模型

研究人員利用了彈性體PDMS來產(chǎn)生具有不同模量的材料。同時，還測試了三種不同的PDMS比例，即PDMS（10： 1）、PDMS（25： 1）和PDMS（50： 1），厚度都為3 mm，通過單軸壓縮測試確定楊氏模量分別為2.02±0.18、0.39±0.038和0.0247±0.0017 MPa。當傳感器與更柔順的材料接觸時，傳感器的響應(yīng)靈敏度更高。對于PDMS（50： 1）、PDMS（25： 1）、PDMS（10： 1）和玻璃測得的S值分別為104±7.8、75±6.1、47±2.4和11±0.94 Ω/N。對不同材料的順應(yīng)性傳感器的測量，發(fā)現(xiàn)更順應(yīng)性的材料產(chǎn)生了更高的S。通過測試相同厚度（3 mm）的各種物體，這些物體均支撐在剛性基板上，且根據(jù)材料的楊氏模量能夠顯示出S的顯著差異。因此，在材料尺寸未知的情況下，傳感器輸出S可用于根據(jù)其柔度進行分類。

圖3、RMB和CMB傳感器的表征

最后，研究人員制備了一個獨立的感應(yīng)單元，其由一個面積為1×1 cm2的RMB傳感器組成，并集成在機器人手指的一側(cè)。在機器人手指之間放置不同的材料，發(fā)現(xiàn)當電容達到最大極限時，機械手手指就會停止并重新開始沿相反方向移動，以釋放所抓取的材料。對于順應(yīng)性材料，在類似的作用力下，最大電阻值會增加。該結(jié)果證明了該傳感器可用作機器人手指上的順應(yīng)性傳感器的能力。此外，還開發(fā)了兩種不同的順應(yīng)性映射器件，以顯示傳感器在假體應(yīng)用中的適用性。對于這兩種測試，接觸更柔順材料的像素具有相對較高的S值。對于這兩種情況，順應(yīng)性傳感器都能夠?qū)Σ牧系捻槕?yīng)性進行分類，從而證明該器件具有潛在的假肢傳感器的功能。

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