电子科技大学副教授宋远强、教授张怀武和哈尔滨工业大学教授解维华合作：超强感应柔性电子皮肤问世

近日，电子科技大学副教授宋远强、教授张怀武和哈尔滨工业大学教授解维华研究小组联合研发出一款可同时感应压力和摩擦力的柔性电子皮肤。研究者通过制备特殊的石墨烯包裹氯化钠粉体作为致孔剂辅助自组装过程制备出超强感应电子皮肤。该电子皮肤可同时对纵向压力和切向摩擦力产生响应，并且压力和摩擦力导致的电阻变化方向相反。该电子皮肤尤其对摩擦力具有极佳的灵敏度。在功能应用上，所制电子皮肤可以实现手腕脉搏实时检测、辨别不同表面粗糙度、探测人体呼吸、感知音乐带来的空气震动等。该研究成果以“Flexible Normal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for Highly Sensitive Artifcial Skin”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。该篇论文的第一作者是电子科技大学的慕春红副教授。

相比当前柔性压力传感器或压力—应变传感器，法向和切向力探测电子皮肤的研究水平是非常有限的。对于这类电子皮肤的发展有三个挑战：

第一，实现电子皮肤三个方向力探测；

第二，实现不同类型力的法向和切向区分；

第三，结构简单可大规模制备。

图1. CNTs/GO@PDMS多孔层制备过程示意图

图2. CNTs/GO@PDMS基电子皮肤形貌表征

(a-d)不同放大倍数的表面形貌SEM图，其中c是GO的SEM图，d是CNT桥接两GO片的裂缝；

(e-h) 不同放大倍数的截面SEM图，h是GO片附在PDMS多孔结构的内表面；

(i) CNTs/GO@PDMS基电子皮肤的两层导电结构示意图。

图3. 电子皮肤的机械-电学性能

(a-c) 电子皮肤在弯曲和扭转下的光学照片；

(d) 电子皮肤的应力应变曲线，插图是悬挂200g物体的电子皮肤照片；

(e) 相对电阻随应变变化图；

(f) 相对电阻与弯曲角度的关系，插图是弯曲结构示意图；

(g) 电子皮肤附在机器人关节处的照片；

(h) 附在机器人上电子皮肤扭曲对相对电阻的影响；

(i) 电子皮肤在5000次拉伸应变下的电阻变化；

(j) 电子皮肤在弯曲变形下的电阻变化。

图4. 电子皮肤的法向-切向传感性能

(a) 电子皮肤在法向压缩下的相对电阻变化；

(b) 电子皮肤在剪切力下的相对电阻变化；

(c) 在法向压缩或者切向力下，接触点的形变示意图；

(d) 在循环压缩下，电子皮肤的相对电阻变化；

(e) 在循环剪切力下，摩擦耐久性测试。

图5. 电子皮肤的应用

(a)电子皮肤放在人手腕上的光学照片；

(b) 电子皮肤放在人手腕上的相对电阻变化；

(c) b选择区的放大图；

(d) 用软刷和羽毛给电子皮肤施加剪切力的照片；

(e) 软刷给电子皮肤施加温和摩擦下的电阻变化；

(f) 羽毛给电子皮肤施加轻微摩擦下的电阻变化；

(g) 普通打印纸、绵纸和槽绒布的光学照片；

(h) 普通打印纸、绵纸和槽绒布的截面光学照片；

(i) 当普通打印纸、绵纸和槽绒布滑过表面时，电子皮肤的相对电阻变化；

(j) 电子皮肤监测人呼吸的实物照片；

(k) 在人呼吸下，电子皮肤的相对电阻变化；

(l) 音乐引起电子皮肤的相对电阻变化。

研究人员开创性的利用多孔碳纳米管、氧化石墨烯、聚二甲硅氧烷层构建了全柔性和多方向拉伸的力传感器。这种独特的电子皮肤具有好的稳定性和高灵敏度（传感器对切向摩擦力的最高响应因子高达2.26），并且对压力和摩擦力的电阻响应相反，实现了对压力和摩擦力的实时探测和电信号区分。

论文链接：

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

资料来源：材料人、中国科学报