北京大學(xué)開發(fā)出一種集滑動探測、壓力探測和能量存儲于一體的多功能電子皮膚系統(tǒng)

電子皮膚作為一種模仿人類皮膚特性、具有傳感多種功能的新型電子器件，在便攜式電子設(shè)備、醫(yī)療健康以及機(jī)器人領(lǐng)域等具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前電子皮膚往往專注于探測單一物理量，而人類皮膚卻能感受多種物理量，實(shí)現(xiàn)多種物理量同時(shí)探測成為電子皮膚研究的重要方向；同時(shí)，如何對電子皮膚進(jìn)行有效的能量供給，也是該領(lǐng)域研究急需解決的關(guān)鍵問題。

近日，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院張海霞教授課題組通過研究模仿皮膚的生理結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種集滑動探測、壓力探測和能量存儲于一體的多功能電子皮膚系統(tǒng)，成功解決了多功能集成和能量供給等問題。相關(guān)研究成果以“Hybrid porous micro structured finger skin inspired self-powered electronic skin system for pressure sensing and sliding detection”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陳號天為論文第一作者，張海霞教授為通訊作者。

該電子皮膚系統(tǒng)以人類指尖的生理結(jié)構(gòu)為啟發(fā)，模仿指紋結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于四電極螺旋電極的摩擦納米發(fā)電機(jī)，通過探測摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出頻率，進(jìn)行滑動方向及距離的探測。這種基于摩擦輸出頻率的探測方法相比于基于幅值的探測方法，可以有效地避免外部環(huán)境比如溫度、濕度等因素的印象，提高傳感器的穩(wěn)定性；通過模仿人體皮膚的真皮結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新地將微結(jié)構(gòu)（微金字塔、微圓錐等）與多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合，制備得到導(dǎo)電的多孔復(fù)合微結(jié)構(gòu)，大幅提升了壓阻傳感器的靈敏度（高達(dá)35.7 kPa-1）；最后，利用織物制備柔性抗壓的超級電容器，為整個(gè)電子皮膚系統(tǒng)提供能量。通過將滑動傳感與壓力傳感耦合，該電子皮膚系統(tǒng)可以有效地探測復(fù)雜的行為活動，提供反饋多個(gè)維度的信號；同時(shí)，整個(gè)電子皮膚系統(tǒng)由超級電容器供能，無需外部供電，極大地增強(qiáng)了該電子皮膚系統(tǒng)的便捷性和可用性，展示了其在機(jī)器人傳感等領(lǐng)域的巨大潛力。

相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金等資助。