基于石墨烯的觸覺(jué)傳感器研究進(jìn)展綜述

石墨烯作為一種極具潛力的納米材料，獨(dú)特的機(jī)電特性使其在多種工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。常見(jiàn)的石墨烯形態(tài)包括石墨烯粉末、氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO），這些材料常被用于開(kāi)發(fā)各種基于純材料或納米復(fù)合材料的柔性觸覺(jué)傳感器。得益于石墨烯與聚合物基質(zhì)及其它金屬納米材料優(yōu)異的界面結(jié)合能力，石墨烯基觸覺(jué)傳感器能夠在多種操作環(huán)境下展現(xiàn)出優(yōu)異性能。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，來(lái)自浙江海洋大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)（The University of Queensland）、德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)（Chemnitz University of Technology）等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)在Sensors And Actuators A-physical期刊上發(fā)表了一篇題為“A review on graphene-based sensors for tactile applications”的綜述文章，重點(diǎn)探討了基于石墨烯的柔性觸覺(jué)傳感器的開(kāi)發(fā)及其在機(jī)器人觸覺(jué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

圖1 本研究的圖文摘要

基于石墨烯的觸覺(jué)傳感器

這篇綜述文章介紹了基于純石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯三種形態(tài)制備觸覺(jué)傳感器的技術(shù)路線，通過(guò)各種印刷技術(shù)，將不同形態(tài)的石墨烯與聚合物基底結(jié)合，形成單層及多層結(jié)構(gòu)的傳感器薄膜。這些傳感器在機(jī)器人觸覺(jué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 （a）在二氧化硅（SiO?）基底上利用石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備的薄膜傳感器；（b）透明石墨烯基傳感器的圖像；（c）石墨烯薄膜的透射率和拉曼光譜

圖3 （a）使用基于還原氧化石墨烯的導(dǎo)電油墨制備柔性傳感器的示意圖；（b）傳感器的粘度、損耗模量和存儲(chǔ)模量隨剪切速率、剪切應(yīng)力和時(shí)間的變化特征；（c）傳感器尺寸圖示

圖4 （a）柔性石墨烯/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）傳感器的制備步驟；（b）通過(guò)晶圓級(jí)制造工藝制備的傳感器放大圖；（c）傳感器拉伸前后的狀態(tài)變化；（d）傳感器對(duì)施加應(yīng)變的響應(yīng)

圖5 （a）基于石墨烯的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）器件的光學(xué)圖像；（b）拉伸前后的傳感器圖像：（c）利用有限元分析得出的應(yīng)變分布；（d）與-x和-y方向拉伸有關(guān)的電阻相對(duì)變化；（e）開(kāi)路電壓隨-x和-y方向拉伸的相對(duì)變化

圖6 （a）開(kāi)發(fā)氧化石墨烯薄膜的制備方案；（b）傳感器對(duì)濕度和彎曲曲率的響應(yīng)

圖7 （a）基于氧化石墨烯的電容式壓力傳感器制備步驟；（b）傳感器電容響應(yīng)隨壓力變化

圖8 （a）基于氧化石墨烯/PET的傳感器制備步驟；（b）傳感器的靈活性展示；（c）用于溫度傳感的傳感器尺寸；（d）施加壓力前后傳感器的原理圖和掃描電鏡圖像

通過(guò)對(duì)比基于不同石墨烯形態(tài)的觸覺(jué)傳感器的制備和性能，可以發(fā)現(xiàn)不同加工材料之間存在明顯差異。對(duì)于采用純石墨烯開(kāi)發(fā)的觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，其最大優(yōu)勢(shì)之一是靈敏度極高，這主要得益于石墨烯卓越的電導(dǎo)率和抗拉強(qiáng)度。石墨烯作為一種活性材料，可形成用于觸覺(jué)傳感應(yīng)用的物理傳感器，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感方法。對(duì)于基于石墨烯衍生物的觸覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，它們還具有其它優(yōu)勢(shì)，例如快速制備、操作簡(jiǎn)單、分辨率高、成本低和性能高效。這些傳感器用于機(jī)器人觸覺(jué)傳感應(yīng)用時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如能夠有效提升外科手術(shù)等領(lǐng)域的操作精準(zhǔn)度。

基于石墨烯的觸覺(jué)傳感器應(yīng)用研究

石墨烯基觸覺(jué)傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于其高導(dǎo)電性、出色的機(jī)械柔韌性、響應(yīng)的高重復(fù)性和再現(xiàn)性、生物兼容性以及較低的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。這些傳感器在健康監(jiān)測(cè)和工業(yè)領(lǐng)域也有各種成功應(yīng)用。例如，將石墨烯基觸覺(jué)傳感器連接在機(jī)器人或人體關(guān)節(jié)上，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)捕捉。

圖9 （a）石墨烯基傳感器的原理圖；傳感器響應(yīng)描述了其（b）壓阻特性和（c）快速響應(yīng)時(shí)間

圖10 新加坡國(guó)立大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的新型機(jī)器人系統(tǒng)，其壓阻薄膜由石墨烯層組成

研究展望

在未來(lái)的研究發(fā)展中，還需要進(jìn)一步優(yōu)化石墨烯材料質(zhì)量，從而有效提升石墨烯基觸覺(jué)傳感器的性能。由于石墨烯同素異形體的物理差異會(huì)導(dǎo)致其與聚合物基體結(jié)合程度的差異，進(jìn)而造成傳感器響應(yīng)差異，因此需要不斷創(chuàng)新石墨烯合成方法。從機(jī)器人觸覺(jué)應(yīng)用角度來(lái)看，將這些石墨烯基傳感器用作電子皮膚將進(jìn)一步提高機(jī)器人對(duì)多種刺激模式同時(shí)響應(yīng)的能力。這些傳感器原型有望在實(shí)時(shí)通信中以無(wú)線方式使用，例如將它們連接到假肢身體部位或失去皮膚的人體部位。隨著機(jī)器人在人類(lèi)生活中的影響越來(lái)越大，有效利用石墨烯基傳感器與合適的執(zhí)行器連接，將極大地推動(dòng)智能傳感系統(tǒng)的發(fā)展。

論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115363

審核編輯：劉清