中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性傳感器具有柔性輕薄、易于集成、便于穿戴等技術(shù)優(yōu)勢，可適形貼附在人體、機器人或者裝備表面進(jìn)行狀態(tài)參數感知，廣泛應用于智能穿戴、醫療康復、人機交互等領(lǐng)域，是我國重點(diǎn)發(fā)展的戰略性新興產(chǎn)業(yè)。國內外學(xué)者圍繞柔性傳感開(kāi)展了大量的研究工作，目前開(kāi)發(fā)的柔性傳感器大多基于壓電式、電阻式、電容式等傳感原理，探索新的傳感模式對于推動(dòng)柔性傳感器的創(chuàng )新設計和技術(shù)革新至關(guān)重要。
2021年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎授予Ardem Patapoutian教授發(fā)現新的機械敏感離子通道，并揭示了其在觸覺(jué)感受器中的關(guān)鍵作用機制。機械門(mén)控離子通道位于細胞膜上的機械力受體，它能夠被擠壓、拉伸、流體剪切力等不同形式的機械力激活并拉動(dòng)離子通道打開(kāi)，使細胞外陽(yáng)離子涌入細胞內，從而形成生理電信號，實(shí)現細胞膜表面應力變化的高靈敏感知。生物體觸覺(jué)細胞的高靈敏感應機制為仿生電子皮膚的設計提供了創(chuàng )新思路。
受生物組織細胞膜上的機械門(mén)控離子通道啟發(fā)，西安交通大學(xué)邵金友、陳小亮團隊提出了仿生“門(mén)控傳感”新模式。該團隊通過(guò)應變分布調控策略在鑲嵌式導電通路內定域生成電子門(mén)控結構，開(kāi)發(fā)了高靈敏度、快響應、高穩定的機器人滑覺(jué)皮膚，如圖1所示。機器人滑覺(jué)皮膚表面的微金字塔陣列可模仿皮膚指紋結構與物體表面進(jìn)行滑動(dòng)交互，將動(dòng)態(tài)應變傳遞至機械門(mén)控感知結構實(shí)現導電通路的開(kāi)閉切換，從而將觸覺(jué)信息編碼為電信號。嵌入式網(wǎng)格化的導電通路設計有效增強了電子門(mén)的局部應變，提升感知靈敏度；同時(shí)削弱傳導路徑的應變，抑制敏感材料裂紋產(chǎn)生，實(shí)現仿生滑覺(jué)皮膚靈敏度和穩定性的協(xié)同增強。該滑覺(jué)皮膚能夠靈巧識別復雜結構件表面紋理，例如，對機械加工部件的粗糙度的辨識度優(yōu)于Ra 0.8，能夠直接識別5mm線(xiàn)寬的精細表面紋理，響應頻率達485Hz，為目前相關(guān)領(lǐng)域報道的最優(yōu)值，在機器人智能識別和交互反饋方面具有廣闊的應用前景。
圖1 仿生機器人滑覺(jué)皮膚
此外，該團隊將“仿生門(mén)控”傳感新模式應用于柔性應變傳感領(lǐng)域，通過(guò)應變驅動(dòng)微結構門(mén)控開(kāi)關(guān)實(shí)現離子導電通道開(kāi)合，開(kāi)發(fā)了可編程門(mén)控流體應變傳感器，如圖2所示。將離散微柱陣列構建的門(mén)控結構分布在微流道內，與填充在門(mén)控間隙內的離子液體形成門(mén)控流體式應變結構，利用泊松效應引發(fā)的非均勻變形驅動(dòng)門(mén)控結構打開(kāi)和閉合，獲得了高達上萬(wàn)的應變系數（GF最大值45300）、大拉伸能力（>500%）以及長(cháng)時(shí)間傳感的穩定性與可靠性（拉伸循環(huán)超過(guò)80000次），應變傳感器的靈敏度和測量范圍可以通過(guò)門(mén)控結構的參數設計按需調控，從而獲得傳感大量程與高靈敏的匹配。以此開(kāi)發(fā)的柔性可穿戴應變傳感器實(shí)現了人體微小脈搏、發(fā)聲等生理信號以及大幅肢體運動(dòng)姿態(tài)等全范圍的人體活動(dòng)監測，在可穿戴醫療康復領(lǐng)域具有重要應用前景。
圖2 仿生門(mén)控流體應變傳感器
上述研究工作由西安交通大學(xué)機械制造系統工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室、前沿科學(xué)技術(shù)研究院、中國航發(fā)渦輪院、西安交通大學(xué)第一附屬醫院組成的學(xué)科交叉、校企聯(lián)合團隊合作完成。研究團隊開(kāi)發(fā)的柔性傳感器已應用于腦卒中交互式康復等多個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）和《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）期刊上，西安交通大學(xué)為論文第一完成單位，博士生李勝和羅永松為論文第一作者。
