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电子皮肤“触觉” 跟人一样灵敏

日期:2018-10-30

图为南科大基于荷叶微结构的柔性电子皮肤。

记者从南方科技大学获悉,南方科技大学材料科学与工程系副教授郭传飞课题组近期在仿生微结构柔性电子皮肤领域取得重要进展,在国际期刊发表系列论文。在当前电子皮肤领域,制备低成本、简易、高性能的柔性触觉传感器是一大挑战,而郭传飞课题组从荷叶表面的微纳米结构中受到启发,用自然材料作为模板来制备具有较高灵敏度、较快响应度和较好稳定性的触觉传感器。

电子皮肤是一种重要的生物医学传感器,要求器件拥有好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。自仿生电子皮肤诞生以来,相关研究机构不仅在敏感度和稳定性上获得突破,还尝试着各种变色、隐形等其他功能。

低成本高性能是一大挑战

电子皮肤的研究具有重要意义,例如,穿戴假肢可以帮助肢体残疾人士实现某些操作需求,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。

柔性触觉传感器(电子皮肤)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、智能假肢、人机交互,以及人工智能等领域有着巨大的应用前景。

研究已经证明微结构能有效提高柔性触觉传感器的性能,例如微金字塔、微柱结构、微球等,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,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。

响应速度与人体皮肤相当

郭传飞课题组从荷叶的超疏水性来源于其表面的微纳米结构中受到启发,用自然材料作为模板来制备表面微结构。取大自然中的植物作为原始模板、复写出植物表面的微结构,并喷涂柔性银纳米线电极,构建电容型触觉传感器,使得器件具有较高的灵敏度、较快的响应速度以及较好的稳定性。其响应速度与人体皮肤响应速度相当,可重复循环检测10万次以上而不产生疲劳。

高灵敏的柔性触觉传感器越来越成为现在的研究热点,课题组实验结果发现,这一新器件的灵敏度高达54.1 kPa-1,是目前文献报道的电容式触觉传感器灵敏度最高值。此外,该器件还实现低至0.1 Pa的检测限,以及29ms的响应速度,这一响应速度超过人体皮肤响应速度。

南科大这一系列基于植物模板或自然植物材料的电子皮肤的研究,有效降低了器件制造成本,提高了器件的灵敏度等性能,开辟一条制备柔性电子器件的新道路。本系列研究中制备的电子皮肤能用于人体健康监测、运动监测、人机交互等,在智能机器人、智能假肢、可穿戴柔性设备等方面,有潜在的应用前景。

这项研究得到广东创新创业团队、国家自然科学基金、深圳市孔雀计划、青年千人计划基金的支持。这项研究成果发布在《Advanced Functional Materials》《Small》《Advanced Electronic Materials》等国际期刊上。这项研究成果被评为《Advanced Electronic Materials》月度十大热点论文之一。(深圳商报)

 

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