中科院《ACS AMI》：基于碳材料的3D打印柔性觸覺傳感器件

來源：材料基

近日，中國科學(xué)院上海高等研究院研究員曾祥瓊帶領(lǐng)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進(jìn)展，相關(guān)研究成果以A Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking TheMicrostructure Perception Behavior of Human Skin為題，發(fā)表在ACSApplied Materials & Interfaces上。

電子皮膚是通過電學(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。過去幾十年，電子皮膚因在智能機(jī)器人、健康監(jiān)測、可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互方面具有廣闊的應(yīng)用前景而廣受關(guān)注。在電子皮膚的各種感知功能中，觸覺感知功能尤為重要。

上海高研院科研人員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）微球與石墨烯結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種具有指紋微結(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。如圖1(a)(b)所示的打印原理，研究人員利用乳化的方法制備出PDMS微球，并通過利用未交聯(lián)的PDMS-石墨烯混合溶液對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。

傳感性能研究發(fā)現(xiàn)，科研人員構(gòu)建的電子皮膚傳感器不僅對壓力具有靈敏響應(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粗糙度的表面，從而實(shí)現(xiàn)對物體表面的微觀形貌、硬度等信息的有效區(qū)分和識(shí)別（圖2）。通過風(fēng)載實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器對氣體等流體也具有有效響應(yīng)。這表明所構(gòu)建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器不僅可以用于對不同粗糙度表面的檢測，還可用于氣流監(jiān)測、聲音檢測等。該研究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。

論文第一作者為上海高研院博士王海航。研究工作得到上海市自然科學(xué)基金的支持。

圖1.觸覺傳感器設(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)通過處理觸覺信號(hào)區(qū)分不同粗糙度表面的示意圖

圖2.（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）人體手指對不同粗糙度表面的觸覺反應(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1N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。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c04079