仿荷叶表面微结构的柔性触觉传感器

当今社会信息技术日新月异。互联网,云计算,大数据,人工智能等新技术充斥到社会各个角落。工业生产和日常生活中的智能机器人、家用电器、自动售货机、手机、电脑以及各类传媒载体纷纷开始了“触觉革命”。触觉是生物体表由于压力与牵引力作用于感受器而引起的,它是生物体从外界环境获得信息的重要手段之一。对于肢体残障人士而言,穿戴假肢可以帮助他们实现某些操作需求,但市场上的产品尚不具备触觉功能,因此假肢也无法帮助他们实现感知。

触觉信息的需求催生了传感技术。柔性触觉传感器是一种将触觉信号转换电信号的电子器件,在可穿戴电子设备、健康监测、运动监测、软体机器人、人机交互、以及人工智能等领域有着巨大的应用前景。科学家们已经证明微结构能有效提高柔性电容式触觉传感器的性能,例如微金字塔结构已经被用于制备超灵敏的柔性触觉传感器。然而这些微结构通常通过传统的光刻技术、化学刻蚀方法,其制备过程复杂、耗时、价格昂贵。制备低成本、简易、高性能的柔性触觉传感器成为当前的一大挑战。

南方科技大学材料科学与工程系郭传飞教授课题组采用了仿生模板法,制备出低成本的电容型柔性触觉传感器。以荷叶为模板,复写出具有荷叶微塔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性衬底;下电极由具有荷叶微塔结构的PDMS薄膜喷涂超细银纳米线制成,具有较好的顺形性和导电性;采用喷涂银纳米线的透明聚酰亚胺膜作为上电极,聚酰亚胺本身作为介电层,构成电容型传感器。该器件具有较高的灵敏度(1.2 kPa−1)、较快的响应速度(36 ms,与人体皮肤响应速度相当)以及较好的稳定性(可重复循环检测10万次以上而不产生疲劳)。有限元模拟分析表明,这种仿荷叶的高深宽比、低密度微结构对器件性能有重要的增益作用。

该器件可以实现人体运动监测、呼吸监测以及气流检测。该方法制备成本低、制作简单,对大规模制备超灵敏柔性触觉传感器具有重要意义。相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201700586)上。论文的第一作者为硕士生万永彪和研究助理邱志光。

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