高灵敏柔性离子凝胶压感皮肤研究取得新进展

来源：上海交大 2021-08-15 14:45

近日，上海交大机械与动力工程学院机器人研究所朱向阳教授、谷国迎教授团队联合美国卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi教授在Advanced Materials期刊上提出了一种高灵敏的柔性离子凝胶压感皮肤，利用超高电容机理，实现了超宽的压力检测范围、快速响应时间、高电容基线（nF-μF级）和高信噪比，在生理信号监测、多点传感阵列、残疾人软体假肢手触觉反馈等

近日，上海交大机械与动力工程学院机器人研究所朱向阳教授、谷国迎教授团队联合美国卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi教授在Advanced Materials期刊上提出了一种高灵敏的柔性离子凝胶压感皮肤，利用超高电容机理，实现了超宽的压力检测范围、快速响应时间、高电容基线（nF-μF级）和高信噪比，在生理信号监测、多点传感阵列、残疾人软体假肢手触觉反馈等领域取得了实际应用。论文“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines， Physiological Sensing， and Amputee Prostheses” 第一作者是机器人研究所博士研究生沈泽群。

设计触觉电子皮肤以模仿人类皮肤的功能和性能一直以来是一项重要的挑战。近年来，研究人员基于不同材料体系和传感机理研发了一系列压敏触觉传感器件。然而，这些传感器容易受到外界噪声的干扰，在与机器人系统集成时面临的非结构化的动态环境中难以展现理想的传感性能。

本研究设计的压力传感器主要由离子导电的水凝胶和导电金属织布组成，与传统的pF级平行板电容压力传感机理不同，该器件采用了新型的超高电容机理，将平行板电容中间绝缘的介电层替换为离子导电的水凝胶层，水凝胶与金属电极在界面处形成了双电层，金属电极表面的正负电荷分别吸引水凝胶中相反极性的离子，在界面处大量微观的离子-电子对形成微电容，由于其间隙由毫米级降低至纳米级，其电容值显着增强，在宏观上形成了nF至μF级的超高单位面积电容。

新型超高电容压力传感器具有理想的传感性能，其灵敏度高出传统器件44倍。电容值高出传统器件约3-5个量级。它具有超宽的压力测试范围，最高可达330 kPa，同时最低检测极限为35 Pa；具有快速响应时间为18 ms，快于人体皮肤40 ms的响应时间；循环加载下能保持稳定性以及在较高压力下仍具有高分辨率。

该压力传感器可以作为可穿戴电子皮肤应用。类似于人体皮肤，该电子皮肤可以区分不同的压力范围，并具有对瞬时压力刺激的检测能力。单个传感单元可以扩展为多点传感阵列，传感阵列还具有同时识别多点压力的能力。

压感皮肤还可与软体仿生手集成，使仿生手可以检测微小物体的放置。超灵敏的压感皮肤还具有动态检测能力，可以实时控制工业机械臂的运动。在此基础上，研究进一步设计了具有触觉反馈的软体机器人系统，使上肢截肢的残疾受试者使用肌电信号控制具有传感功能的软体假肢手，研究证明压感触觉皮肤可以使佩戴假肢手的残疾人具有分辨不同尖锐程度物体的能力。(生物谷Bioon.com）