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原创前沿君材料科学前沿

设计触敏皮肤以模仿天然表皮组织的各种功能和特性，是可穿戴电子设备和机器人技术领域的一项至关重要的挑战。在过去的十几年里，基于从刚性到软电子元件的各种人造皮肤已经被开发出来，它们基于不同的机制，例如电容、压阻、压电、摩擦电和压力传感器。然而，当与机器人系统集成时，这些传感的架构容易受到外部干扰，并且有可能在非结构化和动态环境中遭受不良传感性能的影响。最近，一些研究提出了提高压力传感器灵敏度或提高可检测极限的方法，例如‪John A. Rogers报道了一种离子电子压力传感器，通过使用“可填充”的微结构来实现高灵敏度。然而，尽管取得了这些进步，但大部分报道的人造皮肤要么受到狭窄的压力检测范围的影响，要么受到用于创建微结构的复杂制备过程的影响，难以规模化地大批量制备。此外，更适合大规模制备的传统压力传感器，例如平行板电容传感器通常由于它们对环境噪声的敏感性而表现出低信号基线和导致低信噪比。

鉴于此，上海交通大学朱向阳、谷国迎团队联合卡内基梅隆大学Carmel Majidi团队创造性地开发了一种基于柔软的超电容离子水凝胶的触敏皮肤，能够为可穿戴电子设备和假肢机器人提供压力感应，其灵敏度高达1.5 kPa⁻¹ (比传统平行板电容式传感器高44倍），并且拥有超过四个数量级的超宽压力检测范围 (从35 Pa至330 kPa），超高电容基线，快速响应时间(≈18 ms），比人体皮肤 (≈40 ms) 更快，以及在177 kPa压力下经历1500次压缩/释放循环仍具有良好的机械稳定性。同时触敏皮肤可以集成在柔软的仿生手中，并在处理精细物体时为工业机器人和截肢者提供强大的实时触觉反馈，这为下一代人机界面、假肢和其他智能机器人系统提供了一种新的可能性。该研究以题为“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

【离子凝胶压力传感器的传感原理与设计】

超电容离子凝胶压力传感器由离子水凝胶固体电解质层（含NaCl的聚丙烯酰胺 (PAAm) 水凝胶）组成，其两侧覆盖有镀金属的导电织物电极（图1b）。水凝胶被硅橡胶制成的间隔环包围，这种弹性体垫片可以作为支撑骨架，使弹性水凝胶在去除外部压力后快速恢复，并减轻粘弹性滞后的不利影响。此外，为了防止离子水凝胶脱水并确保强大的传感特性，通过使用两种聚丙烯酸酯弹性体来封装整个结构。这些组件通过层压的方式组装，产生如图1c所示的分层结构。与传统的电容压力传感原理不同，离子电容器用离子导电水凝胶代替中间介电层。离子水凝胶中存在可移动的阳离子和阴离子，而镀金属织物层表面存在足够数量的自由电子。当施加电压时，两个电极层上的正负电荷分别吸引离子水凝胶层中极性相反的离子。大量的电子-离子对构成具有纳米级间距的微型电容器，从而产生超高的单位面积电容，是平行板电容器的10³倍左右。当施加外部压力时，由于导电织物固有的微结构，离子水凝胶层与导电织物层之间的接触面积显着增加。SEM与AFM数据表明镀金属导电织物表面存在致密、不均匀的微观结构，这将有助于在施加压力下层间接触面积显著增加。更多的电子-离子对聚集并重新定位在界面处，导致电容急剧增加。由移动离子和电子建立的强界面电容耦合表现出增强的刺激响应行为，导致高度灵敏和强大的压力传感。

图 1.超电容压力传感机器人皮肤的设计与原理

【离子凝胶压力传感器的传感特性】

作者对离子凝胶压力传感器的传感特性比如灵敏度、检测范围、响应时间、机械耐久性和高压分辨率等进行了表征。如图2a所示，超电容离子电子传感器在压力低于70 kPa时表现出0.24 kPa^-1的高灵敏度，在70-150 kPa压力范围内表现出1.5 kPa^-1，在150-330 kPa高压下表现出0.13 kPa^-1。相比之下，发现传统电容式传感器的最大灵敏度为0.034 kPa^-1。超电容离子电子传感器的最大灵敏度比传统介电弹性体对应物高约44倍。此外，离子电子传感器的初始电容值和最大电容值比平行板电容传感器高出大约三到五个数量级。如图2b、c所示，离子电子传感器表现出超高初始电容C₀ = 5.65 nF和最大电容Cmax = 605 nF。同时，该传感器的检测限(LOD)为35 Pa，代表了超低压力的极限检测能力（图2d）。当传感器在42、85和162 kPa等不同压力范围内处于周期性负载下时，它表现出可靠的压力响应能力（图2e）。此外，在177 kPa的超高压下经过1500多次加载/卸载循环后，其电性能没有明显衰减（<2.3％）（图 2f）。如图2g所示，当P ₀为25、57和113 kPa时，该压力传感器分别表现出0.53 kPa (2.12%)、0.77 kPa (1.35%) 和1.03 kPa (0.91%) 的高压力分辨率。上述理想的传感特性表明，该超电容离子电子压力传感器是可穿戴皮肤和假肢机器人实际应用的有希望的候选者。

图 2. 离子凝胶压力传感器的传感特性

【可穿戴压力感应电子皮肤】

该可穿戴压力感应电子皮肤的压力检测范围可以覆盖天然皮肤中各种机械感受器的压力检测范围。如图3a中所描绘，触摸皮肤能够准确区分连续轻触（≈40 kPa）、中等触感（≈90 kPa）和重触（≈120 kPa），具有类似于人体皮肤的快速响应。图3b表明作者的超灵敏离子凝胶机械感受器可以模拟人体皮肤对瞬时外部刺激的反应。基于上述高灵敏度和灵活性，作者展示了超电容离子电子皮肤作为用于医疗监测和临床诊断的可穿戴压力传感设备。电子皮肤附着在健康受试者的颈部，用于检测颈动脉脉搏波形和心率（每分钟100次)（图3c）。此外，触摸皮肤能够实时监测和区分其他类型的生理信号（图 3d）。与目前刚性和笨重的医疗器械相比，该软柔性电子皮肤为实际生物医学应用中的生物传感提供了一种低成本、无创且方便的方法。

图 3. 用于生理信号监测器的可穿戴压力离子电子感应皮肤

【多像素传感阵列】

作者提出了基于超电容离子凝胶机械感受器的可穿戴多像素传感阵列，以展示使用多个节点进行传感的能力。由于电容值高，与传统的平行板电容压力传感器相比，作者的离子电子压力传感器不易受到外部噪声干扰。当扩展到多路传感阵列时，将有效避免不利的信号串扰和偏差测量。此外，还探索了采用离子电子原理的 2D 触摸面板。作者基于类似的层次结构设计了一个带有4×4按钮阵列的计算器（图4c）。为了展示多点触控面板的同时检测能力，作者还开发了一个可实现二维形状识别的传感阵列（图4e）。

图 4.多重传感阵列的应用

【具有触觉反馈的假肢机器人皮肤】

触觉和反馈在人类手的抓握和操纵中起着关键作用。然而，由于实际应用中产生的噪声干扰，大多数现有的压力传感器难以用于假肢皮肤。作者将之前报道的软仿生手与超电容离子电子皮肤相结合，实现了高灵巧性和功能多样性。除了检测质量轻的物体的能力外（图5a，5b），作者还证明了感觉仿生手可以捕捉动态和连续的压力刺激（图5c，5d）。值得注意的是，机器人皮肤在弯曲条件下仍具有良好的机械稳定性与强度。此外，该触摸皮肤具有实时控制工业机器人运动所需的动态响应能力（图5e）。图5f表明该触摸皮肤在动态机器人应用中具有超灵敏的检测能力和高信噪比。

图 5. 柔软仿生手的超灵敏触摸皮肤

作者通过使用具有触觉感知的神经假肢手的经桡动脉截肢者进一步证明了人机回圈机器人系统。受试者使用肌电图来控制假手来操纵易碎的物体，没有触觉感知的假肢使用者没有关于交互的详细信息（图6a，6b），在与易碎物体的交互中，受试者可以根据三级提示音感知输出力的大小，模拟人类抓取和操纵的闭环控制（图6c）.此外，作者证明了超灵敏的机器人皮肤使截肢者能够区分日常生活中不同形状的物体（图6d）。

图 6. 具有触觉离子凝胶机械感受器的人机回圈机器人系统

【总结】

作者开发了一种柔软离子凝胶皮肤肤，能够实现强大的机器人应用，并实现卓越的传感性能，包括高灵敏度和分辨率，响应速度快，检测范围宽。机器人皮肤可以为工业机器人和经桡侧截肢者提供实时的感觉反馈，这有助于灵巧的操作和与外部环境的安全交互。使用超电容离子电子材料作为新型电子皮肤，为下一代人机界面、假肢和其他智能机器人系统提供了新的可能性。

名称：材料科学前沿

ID：MaterialFrontiers

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