近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院曾祥瓊研究員所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，在基于碳材料的3D打印柔性觸覺(jué)傳感器件的研究中取得重要進(jìn)展，研究成果發(fā)表在國(guó)際TOP期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文的第一作者為上海高等研究院的王海航博士。

電子皮膚是通過(guò)電學(xué)信號(hào)的集成與反饋來(lái)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。在過(guò)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。在電子皮膚的各種感知功能中，觸覺(jué)感知功能尤為重要。

在此背景下，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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。

研究人員利用乳化的方法制備了PDMS微球，并且通過(guò)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(guò)噴頭擠出形成三維立體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱固化成型。

▲觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)原理及3D打印流程 a) PDMS-石墨烯復(fù)合油墨的制備流程示意圖；b)傳感器靈敏層3D打印示意圖； c)通過(guò)處理觸覺(jué)信號(hào)區(qū)分不同粗糙度表面的示意圖

傳感性能研究發(fā)現(xiàn)，用該方法所構(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。

▲a) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；b) 激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度(Sa)； c) 人體手指對(duì)不同粗糙度表面的觸覺(jué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖； d)手指與不同表面作用下的平均摩擦系數(shù)； e) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖； f) 在1 N的壓力載荷作用下，在不同表面粗糙度的激光加工表面滑動(dòng)時(shí)的摩擦力曲線； g) 摩擦力作用下傳感器的電阻變化。

通過(guò)風(fēng)載實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺(jué)傳感器對(duì)氣體等流體也具有有效的響應(yīng)。這表明所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺(jué)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。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。