【研究內(nèi)容】

中山大學(xué)衣芳教授團(tuán)隊(duì)在" 科學(xué)通報(bào)"期刊上發(fā)表了題為“ 柔性觸覺傳感電子皮膚研究進(jìn)展”的最新論文。本文主要綜述了近年來柔性觸覺傳感電子皮膚的研究進(jìn)展, 重點(diǎn)歸納總結(jié)了上述三類柔性觸覺傳感電子皮膚的傳感機(jī)制和工作特點(diǎn)，從材料組成和器件結(jié)構(gòu)等層面介紹了柔性觸覺傳感電子皮膚性能改進(jìn)的不同方法。除此之外，本文還闡述了目前柔性觸覺傳感電子皮膚所面臨的主要挑戰(zhàn)、解決途徑以及未來發(fā)展前景。

【圖文解讀】

圖1 壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)PANI/BC/CH氣凝膠示意圖。(b)基于PANI/BC/CH/PDMS復(fù)合材料的壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖和實(shí)物圖。(c)全噴涂Ti3C2TxMXene壓阻式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚工作機(jī)理示意圖。

圖2 電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)基于CNS的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚的示意圖。(b)基于CNS的不同Ti3C2TxMXene濃度的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實(shí)物圖。(c)PU-IL復(fù)合泡沫基的電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(d)PU-IL復(fù)合泡沫基電容式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚傳感機(jī)理示意圖。(e)基于微結(jié)構(gòu)石墨烯電極的電容式柔性壓力傳感電子皮膚示意圖。(f)基于微結(jié)構(gòu)石墨烯電極的電容式柔性壓力傳感電子皮膚的傳感機(jī)制示意圖。

圖3壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)靜電紡絲過程中β相形成的三維分子模型。(b)P(VDF-TrFE)/MXene復(fù)合薄膜壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(c)甘氨酸/殼聚糖薄膜實(shí)物圖。(d)基于甘氨酸/殼聚糖的壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(e)壓電式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實(shí)物圖。(f)壓電傳感膜的極化方向和觸覺傳感電子皮膚電路圖。

圖4 摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚。(a)基于PPy/F127水凝膠制備的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖。(b)單電極模式TENG的傳感機(jī)制示意圖。(c)基于PPy/F127水凝膠制備的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚實(shí)物圖。(d)基于PDMS-PTFE復(fù)合膜的摩擦式柔性壓力觸覺傳感電子皮膚示意圖與實(shí)物圖。(e)基于雙層單電極TENG的傳感機(jī)制示意圖。

圖5 熱阻式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)石墨烯柔性溫度觸覺傳感電子皮膚的結(jié)構(gòu)圖。(b)石墨烯柔性溫度觸覺傳感電子皮膚溫度檢測機(jī)理。

圖6 電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)基于聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)狀水凝膠的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。(b)基于聚丙烯酰胺/卡拉膠雙網(wǎng)狀水凝膠的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚在低溫和高溫下的等效電路圖。(c)由PVA基離子凝膠組成的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。(d)離子液體溫度觸覺傳感的機(jī)理。(e)由PVA基離子凝膠組成的電容式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚實(shí)物圖。

圖7 熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚。(a)柔性PPy-CS/MXene納米涂層示意圖。(b)柔性PPy-CS/Ti3C2TxMXene實(shí)物圖。(c)基于PPyCS/MXene納米涂層的熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚工作機(jī)理圖。(d)可拉伸CNT/PVP/PU復(fù)合織物示意圖。(e)基于5個(gè)串聯(lián)連接的CNT/PVP/PU復(fù)合織物的熱電式柔性溫度觸覺傳感電子皮膚示意圖。

圖8 柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚。(a)熱電&壓阻式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚機(jī)理圖。(b)壓電&熱電式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚示意圖。(c)基于同步壓電和熱電轉(zhuǎn)換的垂直堆疊雙峰傳感器工作原理示意圖。(d)熱阻&電容式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚區(qū)分溫度和壓力機(jī)理示意圖。(e)熱阻&摩擦式柔性解耦多模觸覺傳感電子皮膚的示意圖。(f)基于離子弛豫效應(yīng)和電容效應(yīng)的解耦多模電子皮膚示意圖。

【結(jié)論與展望】

本文介紹了柔性觸覺傳感電子皮膚的分類、機(jī)理及特點(diǎn)，并探討了相關(guān)挑戰(zhàn)和解決方案。柔性觸覺傳感電子皮膚主要包括柔性壓力觸覺、溫度觸覺和解耦多模觸覺傳感電子皮膚。其中，壓力觸覺傳感可分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦式，適用于不同的檢測需求；溫度觸覺傳感包括熱阻式、電容式和熱電式，具有較高精度和靈敏度；解耦多模觸覺傳感能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號(hào)的同步檢測。文章還指出，電子皮膚在環(huán)境影響、材料性能和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面面臨挑戰(zhàn)，并提出通過材料改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式提升性能。總體而言，柔性觸覺傳感電子皮膚具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力，未來將在電子市場占據(jù)重要地位。

【參考文獻(xiàn)】

Cheng B, Chen J X, Cao L Y, et al Flexible electronic skin for tactile sensing (in Chinese). Chin Sci Bull, 2024, doi: 10.1360/TB-2023-1189

審核編輯 黃宇