自驱动透明可拉伸触觉传感器阵列

随着人工智能技术的大力发展,各种模仿人体特征的可拉伸电子器件、可穿戴电子设备以及电子皮肤等革命性智能功能产品纷纷涌现出来,并引起研究人员的极大关注。它们可以像人体皮肤或组织一样柔软且富有弹性,进而与各种不规则表面紧密结合。目前,对于透明可拉伸导体以及电子器件已经有了诸多研究,包括采用一定的几何构型、使用本征可拉伸导体以及使用弹性体复合材料以提高器件的可拉伸性能。其中,以离子液体为核心的器件具有高度的透明性、可拉伸性能和良好的导电性,因此被备受喜爱。然而,这类器件在大规模集成的制备工艺上依然存在一定的挑战。

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究团队,基于摩擦纳米发电机原理,研发制备了一种透明可拉伸触觉传感器(Triboelectric Tactile Sensor, TETS)。该器件兼具高透明度、高压力敏感性、可拉伸性以及多点触控操作的功能,能够同时实现生物机械能收集、触觉感知等功能,为制备透明可拉伸触觉传感器提供了一个全新的视角。研究人员利用静电纺丝技术制备大面积的PVA纳米纤维薄膜,随后获得Ag纳米纤维,其具有优良的电导率及透光性(1.68-11.1 Ω sq-1,透光率大于70%)。随后通过器件设计、微加工以及湿法刻蚀等工艺,制备获得高透明度、高压力敏感性与可拉伸性触觉传感器。该方法操作简单、成本较低,且易于大规模制备。研究人员探索了不同取向的Ag纳米纤维对器件的拉伸性能的影响,解释了器件在拉伸状态下的荷电传导机制。实验发现,其制备的随机取向的Ag纳米纤维,在100%的拉伸下电阻改变量仅有10%,并可探测低至4.4 Pa的压力且具有约70 ms的响应时间。在此基础上,通过采用优化的交叉电极结构,制备了基于单电极摩擦纳米发电机原理的8 × 8自驱动触觉传感器阵列。结合多通道数据采集系统以及软件开发,器件可在不规则平面上实现实时轨迹探测。研究人员利用它开发了基于方位移动的触觉控制器,并应用于游戏软件中。因此,该类器件具有广阔的市场前景,在人机交互、自驱动机器人、柔性显示屏和可穿戴电子设备中有潜在的应用价值。

相关论文在线发表在近期的Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201706738)。

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