基于摩擦電的多路復用自供電電子皮膚開發(fā)

在觸覺傳感和新興電子技術領域，大面積、可變形、可拉伸的傳感器網(wǎng)絡備受青睞?；谀Σ良{米發(fā)電機（TENG）的單電極模式自供電觸覺傳感器因其優(yōu)異的性能，被認為是理想的解決方案之一。然而，單電極摩擦電傳感器在大面積、多路復用應用方面受到限制，這是由于傳感節(jié)點和高密度內(nèi)部電路之間的電信號干擾會造成嚴重的誤識別。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，蘇州大學劉瑞遠教授、孫寶全教授團隊和臺灣中興大學賴盈至教授團隊聯(lián)合提出一種創(chuàng)新的電信號屏蔽策略，實現(xiàn)了誤識別率超低（0.20%）的大面積、多路復用、自供電、無約束摩擦電電子皮膚（UTE-skin）。UTE-skin能夠在全向可拉伸應變下穩(wěn)定工作，可實現(xiàn)高質(zhì)量的壓力成像和多點觸摸的實時可視化。研究人員展示了UTE-skin的多項應用，包括用于觸覺識別的智能手套、用于步態(tài)分析的智能鞋墊以及可適應不同形態(tài)的人機界面（HMI）。這項研究成果標志著觸覺傳感領域的重要突破，為以往難以克服的大面積、多路復用傳感陣列難題提供了解決方案。相關研究成果以“Large-area, untethered, metamorphic, and omnidirectionally stretchable multiplexing self-powered triboelectric skins”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

在這項工作中，研究人員提出一種有效的電信號屏蔽策略，成功解決了電子皮膚中傳感節(jié)點與內(nèi)部連接線路之間的誤識別問題。通過采用可擴展且簡單的制造工藝，研究人員實現(xiàn)了各種柔性材料的無縫集成，開發(fā)出一種大面積、無約束、可拉伸的多路復用摩擦電電子皮膚UTE-skin。該全向可拉伸UTE-skin（4 × 4陣列，占據(jù)25 cm × 25 cm區(qū)域）由高度柔性的電子材料制成，包括用作可拉伸摩擦電層和支撐基底的Ecoflex彈性體，作為屏蔽層的炭黑-Ecoflex彈性復合材料，以及電極和電氣連接。

圖1 無約束摩擦電電子皮膚（UTE-skin）的設計圖示

具體而言，通過設計基于導電納米復合材料的全方位可拉伸和可變形屏蔽層，UTE-skin實現(xiàn)了0.20%的超低誤識別率。即使在100%單軸、100%雙軸和400%各向同性拉伸應變狀態(tài)下，UTE-skin也能穩(wěn)定工作。同時，即使在輕微低頻壓力下，UTE-skin也能產(chǎn)生顯著且穩(wěn)定的電信號，從而確保其作為自供電機械信號傳感的可拉伸傳感器網(wǎng)絡的可行性。此外，研究人員通過觸覺傳感成像實驗進一步證實了炭黑-Ecoflex復合基屏蔽層在消除誤識別方面的有效性，展現(xiàn)了UTE-skin在高空間分辨率下精確定位外部刺激的顯著優(yōu)勢。

圖2 UTE-skin在單軸、雙軸和各向同性拉伸應變下的電性能表征

圖3 用于壓力映射和觸摸識別的可拉伸傳感器網(wǎng)絡

這種創(chuàng)新設計的UTE-skin能夠提供清晰的壓力成像和多點觸摸的實時可視化。研究人員展示了UTE-skins在用于手勢識別的智能手套以及用于步態(tài)檢測的智能鞋墊中的應用。此外，UTE-skins還支持創(chuàng)建系統(tǒng)級傳感平臺，用于實現(xiàn)涉及人機界面的沉浸式強化訓練，例如實時球形游戲控制器和可穿戴智能手機鍵盤等。

圖4 UTE-skins在智能手套和智能鞋墊中的應用

圖5 UTE-skin自供電傳感器陣列的系統(tǒng)級應用

綜上所述，這項研究工作為開發(fā)可擴展、無約束、多路復用自供電電子皮膚奠定了基礎，UTE-skin將在觸覺傳感、人機界面、醫(yī)療護理/輔助以及類人/機器人感知等實際應用領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

審核編輯：劉清