當(dāng)前人工智能快速發(fā)展,各種類人功能智能機(jī)器人層出不窮,觸覺感知是人類和未來智能機(jī)器探索物理世界的基礎(chǔ)性功能之一,發(fā)展具有觸覺功能的仿生電子皮膚柔性感知器件,并實(shí)現(xiàn)器件與柔軟組織間的機(jī)械匹配性具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
受指紋能夠感知物體表面紋理的啟發(fā),中國科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上(Nano Research 2017, 10(8): 2683-2691),采用內(nèi)外兼具金字塔敏感微結(jié)構(gòu)的柔性薄膜襯底及單壁碳納米管導(dǎo)電薄膜,設(shè)計(jì)與制備了具有寬檢測范圍(45-2500 Pa)、高靈敏度(3.26 kPa-1)的疊層結(jié)構(gòu)柔性振動傳感器件-(圖1b)。并建立了其摩擦物體表面時振動頻率與物體表面紋理粗糙度的模型:f = v/λ(圖1;v:柔性傳感器相對速度運(yùn)動;f:振動頻率;λ:起伏間距即波長)。該柔性仿生指紋傳感器可應(yīng)用于物體表面精細(xì)紋理/粗糙度的精確辨別,最低可檢測15 μm×15 μm的紋路,超過手指指紋的辨識能力(~50 μm×50 μm)。也能夠?qū)崿F(xiàn)對切應(yīng)力、及盲文字母等高靈敏檢測與識別,這些特性將在機(jī)器人電子皮膚的觸覺感知、智能機(jī)械手等方面有重要潛在應(yīng)用。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Small (2018, 1703902, 1-9; DOI: 10.1002/smll.201703902),并被Advanced Science News以“A New Bionic Skin; Makes Sense”為標(biāo)題報(bào)道(圖2),論文第一作者是碩士研究生曹玉東和李鐵博士。
圖1. (a)手指粗糙度觸覺感知仿生模型;(b)疊層結(jié)構(gòu)柔性指紋傳感器模型;(c)柔性傳感器實(shí)現(xiàn)仿手指指紋織物紋理響應(yīng)及其(d)最小粗糙度感知與(e)對盲文字母感知。
圖2 Advanced Science News對仿生指紋柔性傳感器報(bào)道
作為柔性可穿戴電子,器件與柔軟組織間的機(jī)械不匹配是該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題,近期張珽研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有褶皺核鞘結(jié)構(gòu)的纖維狀超延展柔性應(yīng)變傳感器,該傳感器在全工作范圍內(nèi)有高靈敏度,既可以對微弱應(yīng)變又可以對大應(yīng)變有良好的響應(yīng)。依據(jù)模型,
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,(H:褶皺振幅,h:鞘層厚度,epre:纖維核預(yù)應(yīng)變,ec:纖維核材料產(chǎn)生褶皺的臨界應(yīng)變,l:褶皺波長,hs:鞘層單層薄膜的厚度,n:鞘層薄膜層數(shù)),通過預(yù)拉伸-包裹-釋放策略可控的引入褶皺結(jié)構(gòu),這些褶皺相互接觸構(gòu)成了額外的接觸電流通路(圖3)。該導(dǎo)電通路會在器件被拉伸的過程中因褶皺分開而發(fā)生明顯的變化,加之鞘層為對應(yīng)變敏感的MWCNT/TPE復(fù)合薄膜,因此該應(yīng)變傳感器在極大的應(yīng)變范圍內(nèi)(> 1135%)均具有高靈敏度(GF: 21.3, 0%-150%; 34.22, 200%-1135%)。這些優(yōu)異的性能賦予了超延展應(yīng)變傳感器對微小肌肉運(yùn)動以及大范圍的關(guān)節(jié)運(yùn)動實(shí)時監(jiān)測的能力,同時也可應(yīng)用于植入醫(yī)療,如用于數(shù)字化評定肌腱康復(fù)(圖4)。該研究成果近期發(fā)表于Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201800558),文章第一作者是博士研究生李連輝。
圖3. (a)纖維狀超延展應(yīng)變傳感器的制備流程示意圖;(b)器件拉伸光學(xué)照片;(c)不同預(yù)拉伸條件下得到器件的應(yīng)變電阻變化曲線;(d)不同預(yù)拉伸條件下得到器件的表面形貌;(e)應(yīng)變傳感器拉伸過程中的表面形貌。
圖4. (a)由纖維超延展應(yīng)變傳感器制作的手環(huán)對手臂做不同動作進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的電阻變化曲線;(b)纖維超延展應(yīng)變傳感器監(jiān)測喉嚨肌肉的變化曲線;(c)纖維應(yīng)變傳感器綁定于大鼠肌腱上的光學(xué)照片;(d)大鼠腿部不同動作的示意圖;(e)器件對大鼠腿部動作的響應(yīng)。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金(61574163),江蘇省杰出青年基金(BK20170008)和中國博后基金(2017M611945)的支持。
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