高靈敏度柔性電子皮膚的研究與應(yīng)用進(jìn)展綜述

電子皮膚（E-skin）是一種機(jī)器人觸覺(jué)系統(tǒng)，它附著在機(jī)器表面，通過(guò)傳感單元檢測(cè)壓力，使機(jī)器人像人一樣感知周圍環(huán)境。為了滿足機(jī)器人對(duì)彎曲、擠壓、扭轉(zhuǎn)等形變的精確觸覺(jué)感知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在可靠材料選擇和新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了大量的創(chuàng)新性研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域研究進(jìn)展，北京信息科技大學(xué)高國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，包括觸覺(jué)傳感器的分類及原理，通過(guò)對(duì)敏感材料的選擇與調(diào)控以及新型敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)提高觸覺(jué)傳感器柔性和靈敏度的研究進(jìn)展，以及多維力檢測(cè)和多功能性的研究進(jìn)展，并指出高靈敏度柔性電子皮膚當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“高靈敏度柔性電子皮膚的研究與應(yīng)用進(jìn)展”為題發(fā)表在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上。

觸覺(jué)傳感器分類及原理

觸覺(jué)傳感器根據(jù)外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)方式的不同，主要可分為壓電式、壓阻式、電容式等。

壓電式觸覺(jué)傳感器中最常用的壓電材料是壓電陶瓷（PZT）、氧化鋅（ZnO）、鈦酸鋇（BaTiO?）、聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物。例如，Dagdeviren C等人研究了多種壓電式壓力傳感器，其中一種通過(guò)蛇形路徑連接到硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的幾個(gè)方形壓電薄膜上，如圖1所示，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的作用是在施加壓力時(shí)放大壓電元件產(chǎn)生的電壓。壓電元件位于中性機(jī)械平面，以最大限度減少壓力測(cè)量中的彎曲干擾，并允許傳感器用于曲線表面，以檢測(cè)壓電壓力波（BPW）。

圖1 壓電電子皮膚（E-skin）傳感器

壓阻式觸覺(jué)傳感器在壓力的作用下，材料的外部形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。人類皮膚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源于現(xiàn)代公司在2015年開(kāi)發(fā)的幾種電子皮膚，如圖2所示。該研究團(tuán)隊(duì)探索了互鎖的幾何圖形，以壓阻或壓阻和壓電配置模擬人類皮膚的表皮。互鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）與多壁碳納米管（MWCNTs）復(fù)合而成的微柱、微金字塔或微圓頂之間的接觸點(diǎn)所定義的初始接觸電阻。這種操作模式可以通過(guò)調(diào)整微結(jié)構(gòu)的間距或尺寸來(lái)降低器件的電阻值，實(shí)現(xiàn)高靈敏度。

圖2 現(xiàn)代公司開(kāi)發(fā)的電子皮膚圖

電容式觸覺(jué)傳感器的傳感單元通常由2個(gè)平行的電極組成，通過(guò)被測(cè)力引起的電容量變化來(lái)檢測(cè)受力信息。電容式觸覺(jué)傳感器具備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、制造成本低、靈敏度高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

柔性化研究

為了提高電子皮膚的柔性以滿足機(jī)器人對(duì)彎曲、擠壓、扭轉(zhuǎn)等形變的精確觸覺(jué)感知，PDMS、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）等聚合物材料被用來(lái)制造傳感器的柔性基底，以提高傳感器的柔性。此外，通過(guò)優(yōu)化材料配比和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以提高傳感器的柔性，目前，網(wǎng)狀、波紋狀、島橋等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已用于電子皮膚柔性的提升。

圖3 高柔彈性的仿生電子皮膚壓力傳感器陣列

高靈敏度研究

觸覺(jué)傳感器的靈敏度通常是指在一定壓力范圍內(nèi)，電信號(hào)的相對(duì)變化與壓力變化的比值。敏感材料選擇與調(diào)控影響著觸覺(jué)傳感器的檢測(cè)靈敏度，不同的敏感材料和不同導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和體積比靈敏度不同。在敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，研究人員們提出了金字塔陣列、微凸結(jié)構(gòu)、互鎖結(jié)構(gòu)等方法來(lái)提高傳感器的檢測(cè)靈敏度。

圖4 全柔性觸覺(jué)壓力傳感器

多功能檢測(cè)研究

觸覺(jué)傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)形狀和功能的要求也越來(lái)越高。特別是在一些復(fù)雜的環(huán)境中，更是需要精準(zhǔn)檢測(cè)，因此，觸覺(jué)傳感器必須具有微型化和多功能性。例如，Lee G等人報(bào)道了一種實(shí)現(xiàn)可伸縮多模態(tài)裝置的方法，該裝置基于壓電性、摩擦電性和壓阻性的各種電特性，超過(guò)了人類的觸覺(jué)感知能力。所制備的多功能電子皮膚應(yīng)用到機(jī)械手時(shí)，通過(guò)對(duì)集成刺激的感知和分析，可以實(shí)現(xiàn)仿生假肢的材料和紋理識(shí)別。

電子皮膚的應(yīng)用

由于觸覺(jué)傳感器的高性能，在智能系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。研究電子皮膚不僅可以實(shí)現(xiàn)更智能的機(jī)器人，而且在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療領(lǐng)域具有重要意義。例如，Cai F等人開(kāi)發(fā)了一種摩擦電傳感器，該傳感器基于涂有鋁的粗糙聚酯基底，與聚四氟乙烯薄膜接觸，如圖5所示，當(dāng)放置在胸部時(shí)，可以檢測(cè)呼吸、監(jiān)測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)。

圖5 監(jiān)測(cè)人體肌肉運(yùn)動(dòng)的摩擦電傳感器

研究結(jié)論與展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在材料科學(xué)、柔性電子和納米技術(shù)方面的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，對(duì)電子皮膚的研制取得了很多成果，靈敏度和柔韌性得到了很大的提升。柔性電子皮膚在可穿戴設(shè)備、智能機(jī)器人和健康檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用亦取得了很大進(jìn)展。

雖然機(jī)器人電子皮膚的研究越來(lái)越多，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著挑戰(zhàn)，如高靈敏度、高柔性的電子皮膚制造工藝復(fù)雜、成本高和難以批量生產(chǎn)。目前，柔性電子皮膚的發(fā)展仍然受材料與結(jié)構(gòu)的限制，在測(cè)量精度上無(wú)法與傳統(tǒng)成熟的金屬及半導(dǎo)體傳感器相比。在未來(lái)的研究中，需要繼續(xù)探索電子皮膚新材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活、智能和多功能化的高靈敏度、高柔性電子皮膚。

論文信息：
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2023)07-0001-05

審核編輯：劉清