在過去幾十年中,電子皮膚因在智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互方面具有廣闊的應(yīng)用前景而備受全球矚目。
所謂的電子皮膚,即通過電學(xué)信號(hào)的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激(壓力、溫度、濕度)的新型電子器件。在電子皮膚的各種感知功能中,觸覺感知功能尤為重要。
近日,來自中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院的團(tuán)隊(duì)在基于碳材料的3D打印柔性觸覺傳感器件的研究中取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研究成果以“A Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking The Microstructure Perception Behavior of Human Skin”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。
論文通訊作者為中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院曾祥瓊研究員,第一作者為上海高等研究院的王海航博士。該工作獲得了上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
在這項(xiàng)最新的研究中,研究團(tuán)隊(duì)通過模擬人體皮膚的結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)制,創(chuàng)造性地將聚二甲基硅氧烷(PDMS)微球與石墨烯相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種具有指紋微結(jié)構(gòu)的新型多功能電子皮膚;提出了一種石墨烯-PDMS微球油墨3D打印制備柔性傳感器的方法。
具體的打印原理為,研究團(tuán)隊(duì)利用乳化的方法制備PDMS微球,并且通過利用未交聯(lián)的PDMS-石墨烯混合溶液對(duì)PDMS微球形成包覆;制備的石墨烯-PDMS微球油墨可以通過噴頭擠出形成三維立體結(jié)構(gòu),并通過熱固化成型。
研究團(tuán)隊(duì)通過傳感性能研究發(fā)現(xiàn),構(gòu)建的電子皮膚傳感器不僅對(duì)壓力具有靈敏響應(yīng),而且能有效反饋摩擦力的大小;利用傳感器這一特性可以區(qū)分出具有不同微米級(jí)粗糙度的表面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的微觀形貌、硬度等信息的有效區(qū)分和識(shí)別。
通過風(fēng)載實(shí)驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器對(duì)氣體等流體也具有有效的響應(yīng)。
上述研究結(jié)果表明,團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器不僅可以用于對(duì)不同粗糙度表面的檢測(cè),而且還可用于氣流監(jiān)測(cè)、聲音檢測(cè)等。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,這項(xiàng)工作為可穿戴式傳感提供了新途徑,為電子皮膚的發(fā)展提供了新思路。
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