中山大学：在柔性触觉传感电子皮肤研究进展

【研究内容】

中山大学衣芳教授团队在" 科学通报"期刊上发表了题为“ 柔性触觉传感电子皮肤研究进展”的最新论文。本文主要综述了近年来柔性触觉传感电子皮肤的研究进展, 重点归纳总结了上述三类柔性触觉传感电子皮肤的传感机制和工作特点，从材料组成和器件结构等层面介绍了柔性触觉传感电子皮肤性能改进的不同方法。除此之外，本文还阐述了目前柔性触觉传感电子皮肤所面临的主要挑战、解决途径以及未来发展前景。

【图文解读】

图1 压阻式柔性压力触觉传感电子皮肤。(a)PANI/BC/CH气凝胶示意图。(b)基于PANI/BC/CH/PDMS复合材料的压阻式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图和实物图。(c)全喷涂Ti3C2TxMXene压阻式柔性压力触觉传感电子皮肤工作机理示意图。

图2 电容式柔性压力触觉传感电子皮肤。(a)基于CNS的电容式柔性压力触觉传感电子皮肤的示意图。(b)基于CNS的不同Ti3C2TxMXene浓度的电容式柔性压力触觉传感电子皮肤实物图。(c)PU-IL复合泡沫基的电容式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图。(d)PU-IL复合泡沫基电容式柔性压力触觉传感电子皮肤传感机理示意图。(e)基于微结构石墨烯电极的电容式柔性压力传感电子皮肤示意图。(f)基于微结构石墨烯电极的电容式柔性压力传感电子皮肤的传感机制示意图。

图3压电式柔性压力触觉传感电子皮肤。(a)静电纺丝过程中β相形成的三维分子模型。(b)P(VDF-TrFE)/MXene复合薄膜压电式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图。(c)甘氨酸/壳聚糖薄膜实物图。(d)基于甘氨酸/壳聚糖的压电式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图。(e)压电式柔性压力触觉传感电子皮肤实物图。(f)压电传感膜的极化方向和触觉传感电子皮肤电路图。

图4 摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤。(a)基于PPy/F127水凝胶制备的摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图。(b)单电极模式TENG的传感机制示意图。(c)基于PPy/F127水凝胶制备的摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤实物图。(d)基于PDMS-PTFE复合膜的摩擦式柔性压力触觉传感电子皮肤示意图与实物图。(e)基于双层单电极TENG的传感机制示意图。

图5 热阻式柔性温度触觉传感电子皮肤。(a)石墨烯柔性温度触觉传感电子皮肤的结构图。(b)石墨烯柔性温度触觉传感电子皮肤温度检测机理。

图6 电容式柔性温度触觉传感电子皮肤。(a)基于聚丙烯酰胺/卡拉胶双网状水凝胶的电容式柔性温度触觉传感电子皮肤示意图。(b)基于聚丙烯酰胺/卡拉胶双网状水凝胶的电容式柔性温度触觉传感电子皮肤在低温和高温下的等效电路图。(c)由PVA基离子凝胶组成的电容式柔性温度触觉传感电子皮肤示意图。(d)离子液体温度触觉传感的机理。(e)由PVA基离子凝胶组成的电容式柔性温度触觉传感电子皮肤实物图。

图7 热电式柔性温度触觉传感电子皮肤。(a)柔性PPy-CS/MXene纳米涂层示意图。(b)柔性PPy-CS/Ti3C2TxMXene实物图。(c)基于PPyCS/MXene纳米涂层的热电式柔性温度触觉传感电子皮肤工作机理图。(d)可拉伸CNT/PVP/PU复合织物示意图。(e)基于5个串联连接的CNT/PVP/PU复合织物的热电式柔性温度触觉传感电子皮肤示意图。

图8 柔性解耦多模触觉传感电子皮肤。(a)热电&压阻式柔性解耦多模触觉传感电子皮肤机理图。(b)压电&热电式柔性解耦多模触觉传感电子皮肤示意图。(c)基于同步压电和热电转换的垂直堆叠双峰传感器工作原理示意图。(d)热阻&电容式柔性解耦多模触觉传感电子皮肤区分温度和压力机理示意图。(e)热阻&摩擦式柔性解耦多模触觉传感电子皮肤的示意图。(f)基于离子弛豫效应和电容效应的解耦多模电子皮肤示意图。

【结论与展望】

本文介绍了柔性触觉传感电子皮肤的分类、机理及特点，并探讨了相关挑战和解决方案。柔性触觉传感电子皮肤主要包括柔性压力触觉、温度触觉和解耦多模触觉传感电子皮肤。其中，压力触觉传感可分为压阻式、电容式、压电式和摩擦式，适用于不同的检测需求；温度触觉传感包括热阻式、电容式和热电式，具有较高精度和灵敏度；解耦多模触觉传感能够实现多种信号的同步检测。文章还指出，电子皮肤在环境影响、材料性能和器件结构设计等方面面临挑战，并提出通过材料改性、结构优化等方式提升性能。总体而言，柔性触觉传感电子皮肤具有广阔的应用前景和市场潜力，未来将在电子市场占据重要地位。

【参考文献】

Cheng B, Chen J X, Cao L Y, et al Flexible electronic skin for tactile sensing (in Chinese). Chin Sci Bull, 2024, doi: 10.1360/TB-2023-1189

审核编辑 黄宇