電子皮膚(e-skins)作為一種新型電子器件，在人機(jī)交互、醫(yī)療健康、機(jī)器人觸覺等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。長期以來，電子皮膚的發(fā)展始終面臨一個挑戰(zhàn)，其多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力失配以及層間的弱粘附性問題，使其在極端的機(jī)械條件下極易出現(xiàn)信號失真或失效。此外，將電子皮膚集成在軟體機(jī)器人或其它機(jī)器時同樣存在該問題。因此，解決電子皮膚界面穩(wěn)定性并提高其傳感性能，對于其應(yīng)用拓展意義重大。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南方科技大學(xué)郭傳飛教授團(tuán)隊開發(fā)出一款基于聚二甲基硅氧烷-碳納米管(PDMS-CNTs)復(fù)合材料的柔性壓力傳感器，其微結(jié)構(gòu)界面引入了拓?fù)浣宦?lián)設(shè)計策略，可實現(xiàn)傳感器與軟體機(jī)器人的無縫集成，在極端的機(jī)械條件下能表現(xiàn)出超穩(wěn)定的傳感性能。該項目聯(lián)合單位包括四川大學(xué)、沈陽科技大學(xué)和騰訊Robotics X實驗室，研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

該項研究中，研究人員創(chuàng)新性地提出了同質(zhì)器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略，所有器件均采用PDMS-CNTs材料制成，有效避免了異質(zhì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力失配。同時，器件各功能層通過拓?fù)浣宦?lián)相互連接，獲得了高達(dá)~390J·m?2的界面韌性和90kPa的高剪切強(qiáng)度。

集成式PDMS-CNTs柔性壓力傳感器的設(shè)計機(jī)制

該P(yáng)DMS-CNTs柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)界面的高韌性和強(qiáng)度得益于拓?fù)浣宦?lián)、微結(jié)構(gòu)引起的彈性耗散以及微錐體的離散破裂模式。雖然摻雜了少量的碳納米管會導(dǎo)致復(fù)合材料的楊氏模量增加，但微小的差異幾乎不會導(dǎo)致應(yīng)力失配，所有功能層都表現(xiàn)出相似的應(yīng)力特性。

PDMS-CNTs柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)界面的設(shè)計機(jī)制

在高壓、高剪切力模式下，PDMS-CNTs柔性壓力傳感器均表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能。研究人員將其在10kPa的常壓和2mm的往復(fù)位移下循環(huán)摩擦10萬次，或在5kPa的剪切力下循環(huán)作用1萬次后，該傳感器均未出現(xiàn)信號幅度或機(jī)械故障的明顯變化。

PDMS-CNTs柔性壓力傳感器的傳感特性、傳感機(jī)制和信號穩(wěn)定性測試

為了進(jìn)一步測試該傳感器在極端條件下的穩(wěn)定性，研究人員將其貼附在汽車輪胎上，汽車行駛時輪胎胎壓約為300kPa，剪切應(yīng)力約為6kPa，當(dāng)行駛2.6km后該傳感器仍可以正常工作，作為對照的商用壓力傳感器在汽車行駛0.5km時則出現(xiàn)故障了。

PDMS-CNTs柔性壓力傳感器和輪胎胎面商用壓力傳感器的對比測試

該同質(zhì)結(jié)構(gòu)和界面拓?fù)浣宦?lián)的器件設(shè)計策略還可以應(yīng)用于傳感器與機(jī)器人的集成上。研究人員展示了軟體機(jī)器人與傳感器的無縫集成，二者都由PDMS-CNTs復(fù)合材料制成，在不同的抓取場景下，器件均表現(xiàn)出極穩(wěn)定的傳感性能，且微結(jié)構(gòu)界面未出現(xiàn)任何故障或疲勞。

軟體機(jī)器人與PDMS-CNTs柔性壓力傳感器集成的抓取測試

該研究成果為開發(fā)具有更高靈敏度、響應(yīng)率和韌性的電子皮膚，以及進(jìn)一步提升傳感器與軟體機(jī)器人的集成度開辟了一條新的道路。

原文標(biāo)題：創(chuàng)新的PDMS-CNTs柔性壓力傳感器，可實現(xiàn)傳感器與軟體機(jī)器人無縫集成

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審核編輯：湯梓紅