隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類正在步入智能時(shí)代。當(dāng)下基于人工智能技術(shù)的可穿戴傳感器正在深刻的改變?nèi)祟惖纳罘绞?。在過(guò)去的十年中，仿照人類皮膚的觸覺(jué)功能，研究人員開發(fā)了多種柔性傳感器以及電子皮膚器件，其目標(biāo)是獨(dú)立人體之外模擬人類皮膚的觸覺(jué)功能，并應(yīng)用于智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。現(xiàn)有的柔性傳感器已經(jīng)可以出色的實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的感知，然而對(duì)于材料的識(shí)別仍面臨眾多問(wèn)題。因此，發(fā)展多功能柔性傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸物體的材料識(shí)別成為當(dāng)前的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為解決材料識(shí)別問(wèn)題提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接觸后產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷量不同，通過(guò)分析感應(yīng)電流的不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料屬性的判別。然而，兩種材料接觸的壓力、溫度和頻率也會(huì)對(duì)摩擦信號(hào)產(chǎn)生影響，為此，需要通過(guò)開發(fā)新型的器件結(jié)構(gòu)、新的敏感傳導(dǎo)機(jī)制來(lái)滿足單一柔性傳感器對(duì)壓力、溫度和材料的分別感知和識(shí)別。
近日，在中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士和楊亞研究員的指導(dǎo)下，汪洋、武鶴婷和徐林等研究人員完成了一種可以實(shí)現(xiàn)壓力、溫度和材料識(shí)別的柔性多功能傳感器。該工作提出了一種類似三明治結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。該傳感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作為介電層，利用兩片覆蓋銀納米線的銅片作為電極，通過(guò)類似海綿的聚二甲硅氧烷和石墨烯的導(dǎo)電復(fù)合材料作為壓力和溫度的響應(yīng)組件。通過(guò)對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料中石墨烯的優(yōu)化，傳感器的壓力靈敏度可以達(dá)到15.22 kPa-1,響應(yīng)時(shí)間小于74毫秒，同時(shí)傳感器經(jīng)過(guò)3000次循環(huán)測(cè)試后任可以穩(wěn)定工作。在溫度刺激的情況下，傳感器通過(guò)熱電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)1 K的溫度傳感分辨率?；诓煌佑|材料與疏水聚四氟乙烯薄膜產(chǎn)生的電信號(hào)以及研究人員提出的查表算法，該傳感器可以有效對(duì)接觸材料進(jìn)行判別。該多功能傳感器具有成本低、材料識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)多功能器件的挑戰(zhàn)提供了一種設(shè)計(jì)思路。
圖1. 多功能傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。（A）傳感器在人手指上對(duì)外界感知示意圖以及單獨(dú)傳感器的示意圖。（B）傳感器各部件的光學(xué)圖。（C）疏水聚四氟乙烯的掃描電鏡圖。（D）聚二甲硅氧烷和石墨烯復(fù)合導(dǎo)電材料的掃描電鏡圖。（E）銀納米線的掃描電鏡圖。（F）當(dāng)復(fù)合材料分別承受壓力和溫度梯度時(shí)，石墨烯/ PDMS復(fù)合材料的模擬應(yīng)變場(chǎng)（左）和電勢(shì)（右）。（G）PTFE與物體接觸時(shí)的電位。
圖1（A和B）顯示了多功能觸覺(jué)傳感器的示意圖和光學(xué)圖像，傳感器設(shè)計(jì)包括兩個(gè)垂直堆疊的部件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立識(shí)別壓力，溫度和材料特性。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（圖1C）顯示了疏水薄膜孔隙的尺度。?右上角的薄膜與水接觸角（WCA）顯示為152°，右下角的滑動(dòng)角度（SA）為28°。如圖1 D所示，導(dǎo)電復(fù)合材料具有相互連通的孔，平均孔徑約為200微米。圖1 E顯示制備的銀納米的直徑約為110 nm。傳感器的壓力傳感機(jī)器如圖1 F（左）所示。根據(jù)對(duì)于熱電效應(yīng)。當(dāng)傳感器接觸熱的物體時(shí)，傳感器顯示出溫度感應(yīng)，如圖1 F（右）所示。為了實(shí)現(xiàn)材料識(shí)別，傳感器利用了摩擦起電和靜電感。當(dāng)物體與疏水的聚四氟乙烯薄膜接觸-分離時(shí)，材料間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)（圖1G）。
圖2.傳感器的壓力和溫度的響應(yīng)電特性。（A）壓力響應(yīng)測(cè)試圖。（B）傳感器在不同壓力下的I-V測(cè)試圖。（C）傳感器在不同壓力范圍的靈敏度。（D）傳感器的壓力和電信號(hào)的輸出圖。（E）傳感器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。（F）電流隨壓力單調(diào)增加。（G）溫度響應(yīng)測(cè)試圖。（H）不同溫差下傳感器的I-V測(cè)試圖。（I）傳感器的溫度響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。（J）測(cè)得的輸出電壓與溫度梯度的關(guān)系。（K）傳感器兩端的溫度梯度曲線。（L）對(duì)應(yīng)溫度梯度的輸出電信號(hào)。
圖2顯示了在不同壓力和溫度刺激下傳感器的電信號(hào)。圖2 A為測(cè)試壓力響應(yīng)的示意圖。圖2 B 顯示了導(dǎo)電復(fù)合材料和電極間良好的歐姆接觸。傳感器在低的壓力范圍內(nèi)具有更高的壓力靈敏度，如圖2 C所示。傳感器具有小的遲滯，如圖2 D所示。圖2 E 表明傳感器在外部壓力刺激下具有快速的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。圖2 F表明隨著壓力增加，器件具有穩(wěn)定連續(xù)的響應(yīng)特性。圖2 G為溫度響應(yīng)測(cè)試圖。圖2 H表明隨著溫度梯度增加，器件的I-V曲線發(fā)生連續(xù)的漂移。圖2 I顯示了傳感器具有快速的溫度響應(yīng)。圖2 J輸出顯示電壓與溫度梯度的關(guān)系。圖2 K和L分別顯示了傳感器兩端的不同溫度梯度以及相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的輸出電壓。
圖3.摩擦納米發(fā)電機(jī)信號(hào)以及物體識(shí)別。（A）摩擦信號(hào)測(cè)試圖。（B）聚四氟乙烯與FEP薄膜摩擦輸出電壓。（C）不同壓力下摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓。（D）不同頻率的的輸出電壓。（E）分離間距對(duì)摩擦信號(hào)的影響。（F）溫度對(duì)摩擦信號(hào)的影響。（G）不同材料與薄膜接觸后的輸出電壓。（H）Acrylic材料信號(hào)的放大曲線。（I）FEP 材料信號(hào)的放大曲線。（J）不同材料摩擦信號(hào)統(tǒng)計(jì)。（K）接觸材料的識(shí)別過(guò)程圖
圖3 A為摩擦信號(hào)測(cè)試圖。圖3 B顯示聚四氟乙烯薄膜和FEP膜接觸后產(chǎn)生的輸出電壓信號(hào)。隨著壓力的增大，輸出電壓增大，如圖3 C所示。圖3 D表明，摩擦發(fā)電機(jī)在高頻情況下，輸出電壓提高明顯。圖3 E 顯示了不同分離距離對(duì)輸出電壓信號(hào)的影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持穩(wěn)定，如圖3 F所示。圖3 G表明在一定的壓力下，不同材料產(chǎn)生的輸出電壓明顯不同。圖3 H 和I分別為兩種材料輸出電壓信號(hào)的放大圖。圖3 J表明，F(xiàn)EP薄膜產(chǎn)生的輸出電壓最大。
圖4.傳感器應(yīng)用。（A）傳感器固定在人手指上。（B）傳感器的表面溫度。（C）光學(xué)圖像顯示傳感器控制水滴用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。（D）傳感器接觸熱杯，不同壓力刺激下的電流變化的圖。（E）傳感器的溫度響應(yīng)的電流變化的圖。（F）圖像顯示手指與杯子接觸并釋放的操作，以及產(chǎn)生的摩擦電壓信號(hào)。
傳感器通過(guò)雙面膠帶固定在人的手指上，如圖4 A所示。?圖4 B表明，傳感器表面溫度低于手指的溫度。通過(guò)傳感器，研究人員可以控制液滴并對(duì)其研究，如圖4 C所示。壓力傳感器可以感知到施加在杯子上的壓力，如圖4 D所示。同時(shí)，傳感器也可以探測(cè)水杯的溫度，如圖4 E所示。另外，當(dāng)傳感器與物體接觸-分離時(shí)，摩擦發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生響應(yīng)的電信號(hào)，從而對(duì)物體材料進(jìn)行判別，如圖4 F所示。
結(jié)論
本研究提出了一種制備多功能傳感器的簡(jiǎn)單方法。利用制備的導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)，傳感器可以分別實(shí)現(xiàn)壓力和溫度的響應(yīng)的測(cè)量。通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，傳感器可以對(duì)接觸材料進(jìn)行識(shí)別。制備的傳感器可以應(yīng)用于智能機(jī)器人、仿生假肢健康監(jiān)測(cè)與人際接口等領(lǐng)域。
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1. R. S. Johansson, J. R. Flanagan, Coding and use of tactile signals from the fingertips in object manipulation tasks. Nat. Rev. Neurosci. 10, 345–359 (2009).
2. Z. L. Wang, J. Chen, L. Lin, Progress in triboelectric nanogenerators as a new energy technology and self-powered sensors. Energ. Environ. Sci. 8, 2250–2282 (2015)
