Small:仿皮肤表面-真皮层互锁结构的高性能柔性触觉传感器

皮肤作为人体最大的感觉器官,通过其触觉系统可以感知和解读外界的各种刺激,如振动、压力和弯曲等。为了模拟人体皮肤的传感机制,研究人员通过将压力、应变等外部刺激转变为可以记录或测量的电信号,开发出了用于感知触觉信息的触觉传感器。此外,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。迄今为止,微结构制备方法主要以传统光刻技术和自然生物模板法为主。对于传统光刻技术而言,尽管其具有以高精度和可控的方式制备微结构的优点,但其制备过程复杂、耗时且不经济,并不适合大面积生产,与此同时,当所期望的结构达到纳米级别时,常规光刻机难以精确的控制结构的形貌。相比之下,自然生物模板法简单、经济并且可用于大面积的制备微结构,但是也存在严重的不足,即微结构的细节如形状、尺寸和间距不能任意的控制。另外,当前的电容式触觉传感器普遍存在对于微小力检测灵敏度过低的问题,不利于微弱生理信号的提取。制备简单、经济、形貌可控、具有大面积和高性能的柔性触觉传感器成为当前的一大挑战。

济南大学李阳、周伟家、刘宏教授课题组采用了AAO模板法,制备出高性能的电容式触觉传感器。以锥形AAO为模板,通过聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]的熔融浸润得到了具有纳米锥阵列的P(VDF-TrFE)传感层;将两种不同高度的纳米锥阵列薄膜面对面组装,构成电容式触觉传感器。所提出的触觉传感器具有几个显著的特点,包括在低压范围(0-100 Pa)内超高的灵敏度(6.583 kPa-1),超低的检测极限(3 Pa),快速的响应/恢复时间(48/36 ms)以及优异的稳定性和重现性(10000次)。有限元分析表明由于器件内部应变/应力高度集中在纳米锥尖端的接触点处,导致介电常数和厚度的变化,对传感器性能的提升具有重要作用。该触觉传感器可以实现手语手势检测、空间压力映射、盲文识别和生理信号监测。研究人员相信该方法(简单、经济、形貌可控和可大面积制备)将为生物细胞分离、生物医学组织融合、光电探测、纳米能量和化学催化等相关领域带来新的启示。同时,所提出的电容式触觉传感器对柔性电子技术在人机交互、生理信号监测、生物医学假肢以及疾病预防与诊断等方面的发展具有重要意义。相关以“Highly Morphology-Controllable and Highly Sensitive Capacitive Tactile Sensor Based on Epidermis-Dermis-Inspired Interlocked Asymmetric-Nanocone Arrays for Detection of Tiny Pressure”为题在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201904774)上。

论文的第一作者为济南大学信息科学与工程学院硕士生牛闳森。共同通信作者是济南大学信息科学与工程学院李阳副教授、 济南大学前沿交叉科学研究院周伟家教授、刘宏教授。该项目受到了 国家自然科学基金、山东省自然科学基金优秀青年基金和中国博士后基金等项目的资助。