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  近日，電子科技大學副教授宋遠強、教授張懷武和哈爾濱工業(yè)大學教授解維華研究小組聯(lián)合研發(fā)出一款可同時感應壓力和摩擦力的柔性電子皮膚。研究者通過制備特殊的石墨烯包裹氯化鈉粉體作為致孔劑輔助自組裝過程制備出超強感應電子皮膚。該電子皮膚可同時對縱向壓力和切向摩擦力產(chǎn)生響應，并且壓力和摩擦力導致的電阻變化方向相反。該電子皮膚尤其對摩擦力具有極佳的靈敏度。在功能應用上，所制電子皮膚可以實現(xiàn)手腕脈搏實時檢測、辨別不同表面粗糙度、探測人體呼吸、感知音樂帶來的空氣震動等。該研究成果以“Flexible Normal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for Highly Sensitive Artifcial Skin”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.上。該篇論文的第一作者是電子科技大學的慕春紅副教授。

  相比當前柔性壓力傳感器或壓力—應變傳感器，法向和切向力探測電子皮膚的研究水平是非常有限的。對于這類電子皮膚的發(fā)展有三個挑戰(zhàn)：

第一，實現(xiàn)電子皮膚三個方向力探測；

第二，實現(xiàn)不同類型力的法向和切向區(qū)分；

第三，結(jié)構(gòu)簡單可大規(guī)模制備。

圖1. CNTs/GO@PDMS多孔層制備過程示意圖

圖2. CNTs/GO@PDMS基電子皮膚形貌表征

(a-d)不同放大倍數(shù)的表面形貌SEM圖，其中c是GO的SEM圖，d是CNT橋接兩GO片的裂縫；

(e-h) 不同放大倍數(shù)的截面SEM圖，h是GO片附在PDMS多孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面；

(i) CNTs/GO@PDMS基電子皮膚的兩層導電結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3. 電子皮膚的機械-電學性能

(a-c) 電子皮膚在彎曲和扭轉(zhuǎn)下的光學照片；

(d) 電子皮膚的應力應變曲線，插圖是懸掛200g物體的電子皮膚照片；

(e) 相對電阻隨應變變化圖；

(f) 相對電阻與彎曲角度的關系，插圖是彎曲結(jié)構(gòu)示意圖；

(g) 電子皮膚附在機器人關節(jié)處的照片；

(h) 附在機器人上電子皮膚扭曲對相對電阻的影響；

(i) 電子皮膚在5000次拉伸應變下的電阻變化；

(j) 電子皮膚在彎曲變形下的電阻變化。

圖4. 電子皮膚的法向-切向傳感性能

(a) 電子皮膚在法向壓縮下的相對電阻變化；

(b) 電子皮膚在剪切力下的相對電阻變化；

(c) 在法向壓縮或者切向力下，接觸點的形變示意圖；

(d) 在循環(huán)壓縮下，電子皮膚的相對電阻變化；

(e) 在循環(huán)剪切力下，摩擦耐久性測試。

圖5. 電子皮膚的應用

(a)電子皮膚放在人手腕上的光學照片；

(b) 電子皮膚放在人手腕上的相對電阻變化；

(c) b選擇區(qū)的放大圖；

(d) 用軟刷和羽毛給電子皮膚施加剪切力的照片；

(e) 軟刷給電子皮膚施加溫和摩擦下的電阻變化；

(f) 羽毛給電子皮膚施加輕微摩擦下的電阻變化；

(g) 普通打印紙、綿紙和槽絨布的光學照片；

(h) 普通打印紙、綿紙和槽絨布的截面光學照片；

(i) 當普通打印紙、綿紙和槽絨布滑過表面時，電子皮膚的相對電阻變化；

(j) 電子皮膚監(jiān)測人呼吸的實物照片；

(k) 在人呼吸下，電子皮膚的相對電阻變化；

(l) 音樂引起電子皮膚的相對電阻變化。

  研究人員開創(chuàng)性的利用多孔碳納米管、氧化石墨烯、聚二甲硅氧烷層構(gòu)建了全柔性和多方向拉伸的力傳感器。這種獨特的電子皮膚具有好的穩(wěn)定性和高靈敏度（傳感器對切向摩擦力的最高響應因子高達2.26），并且對壓力和摩擦力的電阻響應相反，實現(xiàn)了對壓力和摩擦力的實時探測和電信號區(qū)分。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201707503