关键词:
触觉传感器
可降解
微结构
淀粉
谷盶粉
摘要:
触觉传感器是模拟人类皮肤结构实现对压力、应变和振动等信号高灵敏感知的器件,在柔性机器人、健康监测及人机交互等领域应用前景广阔。目前基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)等合成聚合物的触觉传感材料与器件已被广泛报道。然而,这些合成高分子材料在环境中难以降解,易造成电子垃圾的富集。因此,为了实现触觉传感器件的可穿戴和生物相容性,需发展具有可降解特性的柔性触觉传感器。然而基于可降解材料的触觉传感器件存在灵敏度较低的问题,本研究基于生物质材料淀粉及其共生的谷盶粉蛋白制备触觉传感材料,通过激光模板法、光刻法对材料表面进行表面微结构设计,并探究微结构与传感性能之间的关系,并通过多层结构设计增强传感性能;以及制备类皮肤凝胶材料,模拟人体皮肤结构对触觉传感器件进行多层结构设计。实现了触觉传感器响应时间、传感范围和稳定性的增强,制备一系列高灵敏度触觉传感材料与器件,并探索了基于微结构设计的触觉传感器件的应用。主要研究内容与结果如下:
(1)为了探索微结构设计对可降解触觉传感材料性能的影响,以激光加工的多孔金属板为模板制备了具有100-400 μm表面微柱结构的淀粉膜,以喷墨打印的方式在聚乙烯醇薄膜表面制备具有微孔结构的叉指电极,二者组装得到触觉传感器。通过研究微柱结构与叉指电极之间接触电阻的变化实现了对传感灵敏度的有效调控,研究证明淀粉膜表面的微柱结构和叉指电极的微孔结构的耦合可有效提高传感灵敏度。组装的触觉传感器在较小压力范围内(0-60kPa)具有更高的传感灵敏度(S=1.2 kPa-1),响应时间为0.25 s,恢复时间为0.22 s,可以实现对不同大小的压力进行检测和区分,可应用于眨眼、喉部振动等人体运动信号的检测,以及对颈动脉(CA)、桡动脉(RA)和足背动脉(DPA)等生理信号的监测。除了对低频压力信号的感知,该传感器还能对10-10000 Hz范围内的高频的振动进行传感。更重要的是,这种淀粉材料的触觉传感器在土壤中10天可观察到明显的分解行为,证明其具有环境可降解特性。
(2)为了进一步利用微结构增强触觉传感性能,采用光刻法制备了具有更小尺寸10-40 μm微金字塔结构。利用微金字塔的尖端压缩变形特征增强淀粉基触觉传感材料灵敏度。调节不同微金字塔结构的边长与间距比例,分别为2:1、1:1和1:2。利用微金字塔结构的尺寸和空间排列实现对传感性能的有效调控。当金字塔底部边长与间距的比例为2:1,底部长度为10μm时,淀粉基触觉传感器性能最佳,灵敏度为11.9 kPa-1。通过力学仿真动态模拟,系统研究了微金字塔结构受力过程和传感机制,证明了微结构对传感性能的增强机理。通过线性拟合数学分析,阐明了压敏特性随金字塔尺寸及空间排列的变化规律,分析结果与实验数据一致。进一步采用叉指电极组装多层结构的触觉传感器,并设计桥式结构增强其传感性能,压力传感灵敏度达到S=20.4 kPa-1,传感范围从0-20kPa扩大到0-200kPa。该传感器可实现对微小物体,如水滴、树叶、羽毛等的检测,还可用于对机器人手臂抓取动作的识别。此外,采用这种具有微结构的淀粉膜材料作为摩擦层制备了摩擦纳米发电机,发现表面微结构有效增加接触面积,提升了器件的输出性能,器件在20 N的压力下开路电压达105 V,短路电流达3.1μA,在0-20 kPa压力范围内传感灵敏度为5.26 V kPa-1。实现了对拍手、跳绳等运动的即时监测。
(3)为了进一步探索触觉传感器的可穿戴性,通过内部网络微结构设计,基于谷盶粉蛋白制备了一种双网络水凝胶材料作为类皮肤的触觉传感材料。其中谷阮粉蛋白分子形成第一网络,硼砂交联的聚乙烯醇为第二网络。凝胶中加入NaCl获得离子导电性,还能促进谷盶粉蛋白分子之间的结合,提高谷盶粉蛋白水凝胶的力学性能。所获得的触觉传感材料具有高拉伸性(>1300%)、自愈合性、和良好的粘附性,可粘附于皮肤、玻璃、塑料、金属等多种材料表面。作为应变传感器灵敏度为GF=3.35,响应时间为0.19 s,以及工作稳定性大于10000次,可对肩颈、手指手臂和膝盖脚腕等人体运动进行监测。作为压力传感器,灵敏度为S=2.36 kPa-1,压力传感不受拉伸变形的干扰,在200%-800%应变条件下都具有稳定的压力传感性能。该传感器可粘附于皮肤表面实现可穿戴式手写识别,结合机器学习技术,其识别准确率可达89.6%,在器件拉伸、自愈合或缺损后仍具有较高的识别度。通过皮肤过敏性实现和降解实验验证了该材料具有生物相容性和环境可降解性,可作为贴附式电子皮肤,实现人机交互。
(4)在类皮肤的双网络谷盶粉蛋白水凝胶表面进行微结构设计,作为介质层,基于淀粉的导电膜材料为电极,通过多层结构设计制备具有三明治结构的电容式触觉传感材料。在可压缩介质层上构建微结构有效地提高了传感器在0-1