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科技工作者之家 2020-05-24
来源:高分子科学前沿
在人类皮肤内的缓慢适应(SA)受体中,SA-I(Merkel cell)和SA-II(Ruffini organ)在顺应性感觉中起关键作用。前者以高分辨率测量施加在皮肤上的静压,而后者则能够检测皮肤的伸展。随着可拉伸材料和微细加工技术的发展,报道了能够检测温度以及静态和动态力的柔性传感器。由于顺应性传感器是一种重要的感测块,因此需要对其进行开发并将其集成到人造皮肤上,以为假肢或机器人系统提供类似人的感觉。然而,已有的四种传感机制(转换为数字读取的电信号)的传感器外部组件(精密光学测量组件等)体积庞大,因此将这些传感器用于需求紧凑的外形尺寸的应用中仍然面临着巨大的挑战。此外,顺应性传感设备复杂是因为其需要同时测量施加的压力和变形信息两个参数以检测物体的顺应性。在没有耦合效应的情况下,将压力和应变传感器集成也是一项挑战。如要开发可集成到人造皮肤或机器人系统中的顺从性传感器,则需要满足以下要求:1)应该具有易于集成的紧凑型尺寸;2)不需要大型外部组件或集成系统中的重大结构更改;3)传感器应该具有解耦可靠性能。基于此,斯坦福大学的鲍哲南教授(通讯作者)团队报道了一种仿生的、薄顺应性传感器。利用该传感器可同时检测人体皮肤中类似于SA-I和SA-II的压力和应变,而无需任何笨重的外部组件且不会占用相当大的体积。为了模拟SA-I和SA-II的拉伸和压力感应能力,研究人员将基于薄膜的应变传感器(MBSS)耦合到压力传感器,以识别接触的材料。实验结果证实,该混合传感器可以同时捕获所接触材料的表面变形和所施加的压力。通过利用基于电阻和电容的传感器,研究人员为MBSS开发了两种不同的传感方法。例如,当分别测试模量为75 GPa和20 kPa的材料时,电阻传感器的灵敏度为11 Ω/N和104 Ω/ N。同样,对于类似材料,电容式传感器的灵敏度分别为80 fF/N(femtofarad Newton)和1280 fF/N。同时,还展示了通过减小薄膜的厚度可以调节传感器的灵敏度,尤其是需要更高的分辨率时。此外,传感器的薄型和小尺寸使其能够应用于不同的应用中。首先,将传感器集成到机械手的手指上,并能确定抓握物体的顺应性。其次,通过构建阵列传感器能够绘制出由不同材料制成的物体的表面图,对于检测组织内部的不规则物体(如肿瘤)非常有用。来源:Polymer-science 高分子科学前沿
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