西安交大在電子皮膚領(lǐng)域取得新進展

電子皮膚在假肢、機器人技術(shù)和人工智能等新興領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。作為電子皮膚的關(guān)鍵部分，開發(fā)具有慢適應(yīng)I型（SA?I）機械感受器特性的柔性壓力傳感器至關(guān)重要，這不僅需要傳感器在小壓力范圍（小于10 kPa）探測微小靜態(tài)壓力變化，而且要確保在中等壓力范圍（10~100 kPa）對靜態(tài)壓力可精確穩(wěn)定地進行控制，以完成日常的操縱性任務(wù)。目前，研發(fā)兼具寬壓力范圍、快速響應(yīng)時間、線性和低滯回壓力響應(yīng)的靈敏且穩(wěn)定的柔性壓力傳感器仍具有挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學(xué)李盛濤教授課題組聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）課題組報道了基于具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS/CNT（聚二甲基硅氧烷/碳納米管）導(dǎo)電復(fù)合材料高性能柔性電阻式壓力傳感器簡單直接的設(shè)計方法?；趥鞲衅鞯墓ぷ鳈C理，從電路模型（路）和有限元數(shù)值仿真（場）兩方面，揭示了與以往的設(shè)計——微金字塔表面涂覆很薄的導(dǎo)電層相比，該設(shè)計方法可提供更寬的壓力量程和更高的靈敏度。

結(jié)合數(shù)值仿真和實驗結(jié)果揭示了傳感器的壓力響應(yīng)取決于其間距與基底長度之比，而不僅僅依賴于間距，且當間距與基底長度為1:1時，可獲得優(yōu)異的綜合性能以模擬SA-I機械感受器，該優(yōu)化設(shè)計比例的壓力傳感器可在小壓力范圍和中等壓力范圍下提供高靈敏度、快速響應(yīng)時間、高力學(xué)穩(wěn)定性、低工作電壓和低功耗，高線性度和低滯回以及微米尺度高度均一的優(yōu)異綜合性能。

基于該優(yōu)化設(shè)計比例的傳感器，構(gòu)建了可實時地將幅值信號轉(zhuǎn)化為頻率信號且進行無線傳輸?shù)膲毫鞲邢到y(tǒng)，以及可實時進行空間分辨的壓力傳感陣列平臺。此外，鑒于微金字塔結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，基于導(dǎo)電復(fù)合材料的微金字塔結(jié)構(gòu)也可被集成到電容式、晶體管式、摩擦電式等其他類型的傳感器以獲取高的機械穩(wěn)定性。

該研究成果以“Robust Flexible Pressure Sensors Made from Conductive Micropyramids for Manipulation Tasks”（基于導(dǎo)電微金字塔結(jié)構(gòu)用于操作性任務(wù)的穩(wěn)健柔性壓力傳感器）為題在國際著名期刊ACS NANO（美國化學(xué)學(xué)會納米，IF = 14.588）在線發(fā)表。論文的第一作者為西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院博士生馬超，通訊作者為西安交大電氣工程學(xué)院李盛濤教授，以及美國加州大學(xué)洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）。