人體皮膚的力學傳感系統在人與外界環境進行適應性互動中起著至關重要的作用。在抓取動作中，皮膚觸覺感受器感知到的觸覺信息經由神經系統傳遞、分析，可以精準的控制肌肉調節抓取力，以適應不同硬度的物體。人體皮膚的壓力感受器兼具高靈敏和寬檢測范圍，而在人工壓力傳感器的設計中，雖然可以通過降低響應材料的模量和構建微結構來提高靈敏度，但是往往會降低其檢測上限，使得制備出的傳感器不能很好的兼具高靈敏及寬檢測范圍。因此，平衡壓力傳感器的靈敏度和檢測范圍是提高其應用環境適用性的重要課題。
近期，山東大學化學與化工學院劉亞慶教授課題組開發了一種基于CaCl2·6H2O（無機鹽相變材料）和丙烯酰胺的相變凝膠（PC-gel），通過使用相轉變能力實現凝膠模量變化的原理，設計了傳感性能可調節的壓力傳感器，能夠在高靈敏度與寬檢測范圍之間相互切換，以滿足不同的應用條件（圖1）。
圖1. 生物感覺反饋系統和人工觸覺反饋系統的示意圖。
圖2. PC-gel的制備及不同溫度下凝膠強度的變化。
CaCl2·6H2O作為傳統相變材料，具備室溫范圍內發生結晶與融化的相轉變能力（10-30℃）。因此，由CaCl2·6H2O與丙烯酰胺制備的凝膠表現出溫度調節的模量變化的能力，可以在300 KPa與340 MPa之間切換（圖2）。并且融化與結晶狀態下的模量差異具備很好的重復性和可操控性。
圖3. 基于PC-gel壓力傳感器的壓感性能。（a）壓力傳感器的結構及Mode I（結晶前）、Mode II（結晶后）下的壓感原理。（b,c）兩種響應模式下，傳感器電容隨壓力的變化曲線以及壓力誘導凝膠層形變的情況。（d）在不同壓力范圍內，Mode I和Mode II模式下傳感信號的實時監測。
使用PC-gel作為傳感層制備的壓力傳感器展現出溫度調控的傳感性能，在不同模式下，壓力傳感器的靈敏度和檢測范圍有明顯的差異性（圖3 a,b）。在Mode I—低模量狀態下，PC-gel易變形，內部大量離子在電極表面形成雙電層，二者協同作用實現傳感器的高靈敏和高信噪比（圖3 a,d）。而在Mode II—高模量狀態下，PC-gel可壓縮性降低，缺乏自由移動的離子，此時上下電極的距離成為傳感器電容變化的主導作用，因此可實現傳感器的寬檢測范圍（圖3 a,d）。
圖4. 具備自適應抓取能力的人工觸覺反饋系統。（a）人工觸覺反饋裝置。（b,c）使用Mode I模式抓取棉花、豆腐、去殼生雞蛋等柔軟物體。（d）通過調節兩種操作模式分別實現高靈敏和寬檢測范圍來適應不同材質的抓取物。
將上述壓力傳感器集成在機械手上，編寫程序實時監控壓力信號，通過在程序中預設對象材質對應的電容閾值，可以使用壓力反饋來控制機械手的抓取力度，實現對目標物體的抓取（圖4 a,b）。高靈敏度和寬傳感范圍兩種參數互補的工作模式賦予了該人工觸覺反饋系統自適應抓取不同柔軟度物體的能力。在Mode I模式下，較高的靈敏性使得機械手能夠抓取脆弱、柔軟的物體（圖4 c,d）。而在Mode II模式下，寬檢測范圍使得機械手能夠抓取堅硬、沉重的物體（圖4 d）。與傳統的固定工作模式的壓力傳感器相比，基于PC-gel的壓力傳感器具有高靈敏度、檢測范圍廣、適應性強等特性，適合作為多用途的傳感裝置應用于不同的場合。
以上研究成果以“A phase-change gel based pressure sensor with tunable sensitivity for artificial tactile feedback systems”為題發表于J. Mater. Chem. A （DOI：10.1039/D1TA02791C）。論文第一作者為山東大學化學與化工學院科研助理景厚超，通訊作者為山東大學劉亞慶教授。該項研究得到了國家自然科學基金（22002073）、江蘇省自然科學基金（BK20200231）和山東省自然科學基金（ZR2020QB064）的資助。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta02791c
