中山大學：在柔性觸覺傳感電子皮膚研究進展

【研究內容】

中山大學衣芳教授團隊在" 科學通報"期刊上發(fā)表了題為“ 柔性觸覺傳感電子皮膚研究進展”的最新論文。本文主要綜述了近年來柔性觸覺傳感電子皮膚的研究進展, 重點歸納總結了上述三類柔性觸覺傳感電子皮膚的傳感機制和工作特點，從材料組成和器件結構等層面介紹了柔性觸覺傳感電子皮膚性能改進的不同方法。除此之外，本文還闡述了目前柔性觸覺傳感電子皮膚所面臨的主要挑戰(zhàn)、解決途徑以及未來發(fā)展前景。

【圖文解讀】

圖1 壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)PANI/BC/CH氣凝膠示意圖。(b)基于PANI/BC/CH/PDMS復合材料的壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖和實物圖。(c)全噴涂Ti3C2TxMXene壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚工作機理示意圖。

圖2 電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)基于CNS的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚的示意圖。(b)基于CNS的不同Ti3C2TxMXene濃度的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實物圖。(c)PU-IL復合泡沫基的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(d)PU-IL復合泡沫基電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚傳感機理示意圖。(e)基于微結構石墨烯電極的電容式柔性壓力傳感電子皮膚示意圖。(f)基于微結構石墨烯電極的電容式柔性壓力傳感電子皮膚的傳感機制示意圖。

圖3壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)靜電紡絲過程中β相形成的三維分子模型。(b)P(VDF-TrFE)/MXene復合薄膜壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(c)甘氨酸/殼聚糖薄膜實物圖。(d)基于甘氨酸/殼聚糖的壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(e)壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實物圖。(f)壓電傳感膜的極化方向和觸覺傳感電子皮膚電路圖。

圖4 摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)基于PPy/F127水凝膠制備的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(b)單電極模式TENG的傳感機制示意圖。(c)基于PPy/F127水凝膠制備的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實物圖。(d)基于PDMS-PTFE復合膜的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖與實物圖。(e)基于雙層單電極TENG的傳感機制示意圖。

圖5 熱阻式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)石墨烯柔性溫度觸覺傳感電子皮膚的結構圖。(b)石墨烯柔性溫度觸覺傳感電子皮膚溫度檢測機理。

圖6 電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)基于聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網狀水凝膠的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。(b)基于聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網狀水凝膠的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚在低溫和高溫下的等效電路圖。(c)由PVA基離子凝膠組成的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。(d)離子液體溫度觸覺傳感的機理。(e)由PVA基離子凝膠組成的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚實物圖。

圖7 熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)柔性PPy-CS/MXene納米涂層示意圖。(b)柔性PPy-CS/Ti3C2TxMXene實物圖。(c)基于PPyCS/MXene納米涂層的熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚工作機理圖。(d)可拉伸CNT/PVP/PU復合織物示意圖。(e)基于5個串聯連接的CNT/PVP/PU復合織物的熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。

圖8 柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚。(a)熱電&壓阻式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚機理圖。(b)壓電&熱電式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚示意圖。(c)基于同步壓電和熱電轉換的垂直堆疊雙峰傳感器工作原理示意圖。(d)熱阻&電容式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚區(qū)分溫度和壓力機理示意圖。(e)熱阻&摩擦式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚的示意圖。(f)基于離子弛豫效應和電容效應的解耦多模電子皮膚示意圖。

【結論與展望】

本文介紹了柔性觸覺傳感電子皮膚的分類、機理及特點，并探討了相關挑戰(zhàn)和解決方案。柔性觸覺傳感電子皮膚主要包括柔性壓力觸覺、溫度觸覺和解耦多模觸覺傳感電子皮膚。其中，壓力觸覺傳感可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦式，適用于不同的檢測需求；溫度觸覺傳感包括熱阻式、電容式和熱電式，具有較高精度和靈敏度；解耦多模觸覺傳感能夠實現多種信號的同步檢測。文章還指出，電子皮膚在環(huán)境影響、材料性能和器件結構設計等方面面臨挑戰(zhàn)，并提出通過材料改性、結構優(yōu)化等方式提升性能。總體而言，柔性觸覺傳感電子皮膚具有廣闊的應用前景和市場潛力，未來將在電子市場占據重要地位。

【參考文獻】

Cheng B, Chen J X, Cao L Y, et al Flexible electronic skin for tactile sensing (in Chinese). Chin Sci Bull, 2024, doi: 10.1360/TB-2023-1189

審核編輯 黃宇