南方科技大学郭传飞老师团队Materials Today Physics综述：柔性触觉传感器研究进展

【引言】

随着智能终端的普及, 可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。触觉传感器作为核心部件之一, 将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性触觉传感器是集柔性电子学、器件物理和材料学的交叉前沿研究领域，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤, 甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。

近日，南方科技大学材料科学与工程系郭传飞副教授团队以“Recent progresses on flexible tactile sensors”为题在Materials Today Physics上发表综述论文，文章第一作者为研究生万永彪。该综述介绍了柔性触觉传感器的最新进展，系统的阐述了柔性触觉传感器的传感机理、性能评估、材料和器件设计及应用。其中讨论了器件的仿生微结构设计和多功能集成设计。最后，给出了该研究所存在的问题和未来的展望，包括应用到软体智能假肢。

图1. 综述导览图

【简介】

随着信息技术的发展，各种与日常生活相关的服务设施，如手机、电脑、自动柜员机、家用电器等，以及娱乐、教育的媒介载体等等纷纷开始了“触觉革命”。触觉传感器是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件。触觉传感器以信号传导的形式将触觉信号转换为电信号, 能实现触觉信息的快速精确传导，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、服务机器人等领域拥有很大的应用潜力。柔性触觉传感器为感知外界物体提供可靠的信息，如外物的尺寸、形状、纹理等特性，还能提供安全和友好的交互体验，类似于人类皮肤的功能，因此也被称为电子皮肤。

【器件基本原理】

如何将外界刺激传导为可检测、先读取的电学信号是柔性触觉传感器的核心技术。柔性触觉传感器的信息传导机制主要分为电阻、电容、压电、摩擦电四大类，如图2所示。

电阻式传感器具有结构简单、集成和输出数据容易等优点, 也是目前研究最为广泛的一种电子应变传感器，其传感因素主要受电极本身的形变产生的电阻变化及电极之间的接触电阻影响。对于电容式传感器，可通过改变正对面积A和平行板间距d来探测不同的力。电容式传感器的主要优势在于其对力的敏感性强, 可以实现低能耗检测微小的静态力。压电式传感器则是基于材料在外界机械压力作用下产生电压的能力。压电式传感器具有较高的灵敏度和响应速度, 可用于检测声音的震动或脉搏的跳动等动态压力，考虑到其能量收集的特性，压电式传感器在发展低能耗、自供能的柔性触觉传感器上具有重要价值。而摩擦电则是基于两种不同的材料彼此摩擦时，在表面上诱发电荷，产生的电荷量取决于两种接触材料之间的摩擦电极性的差异，该传感机理的摩擦电装置能够响应于各种机械刺激而产生电信号，因此可以用作自供能的柔性触觉传感器。

图2. 柔性触觉传感器传感机理示意：(a)电阻式；(b)电容式；(c)压电式；(d)摩擦电式。

【材料选择】

相对于普通半导体传感器, 材料的柔韧性和可拉伸性, 同时在应力下不会产生物理损坏是制备柔性电子应变传感器的关键。为了制备性能优异的柔性触觉传感器, 一些具有优异电学和力学性能、能够利用典型的传导机理实现传感器对外部刺激实时检测的功能材料是我们探索和研究的重点。

衬底材料  对于柔性触觉传感器, 衬底材料是决定其弹性形变性能的关键因素。传统电子传感器通常以硅或氧化硅等作为衬底材料, 而柔性电子设备需要基底材料具有高柔韧性。许多商业化的聚合物材料都可以用来作为柔性基底, 构建柔性触觉传感器, 例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE) 和聚氨酯(PU)等。此外一些生活中的棉布、丝绸、纸也可用于传感器基底。

活性层  柔性触觉传感器最重要的组成部分是活性层, 而具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定活性层性能的关键, 常见的活性层材料主要分为：自身具有高导电能力材料、高弹性导电复合材料, 在不同的制备条件和制备工艺下, 由各种类型活性材料制备的柔性应变传感器通常表现出不同的传感性能。石墨烯、碳纳米管、导电高分子、离子导体、金属纳米材料等具有较高导电性，可用于柔性触觉传感器的活性层。

电极材料  电极是柔性触觉传感器中输入和导出电流的两个端极, 在器件制备过程中, 电极材料也是影响器件灵敏度和稳定性的重要因素。在外力刺激下, 压阻式传感器的电极与电极之间以及电极与活性层之间的接触电阻发生变化, 并产生有效的电流输出信号, 所以制备传感器电极通常利用具有优异导电性能和机械性能的石墨烯、碳纳米管等碳材料以及柔性复合材料。

图3. 柔性触觉传感器材料分类

【器件设计及应用】

具有高灵敏、快速响应、低检测限的柔性触觉传感器依赖于可靠的材料选择、新颖的器件设计以及成熟的制造工艺。而常规的块体材料因较大的粘滞性严重制约着器件的性能，解决这一难题的办法就是构筑非常规的微结构。文中介绍了一些基于仿生微结构的柔性触觉传感器（如图4所示），对降低制造成本、提高器件性能有重要意义。考虑到能源消耗问题，制备自供能的柔性触觉传感器很有必要，例如一些基于压电、摩擦电效应的触觉传感器已经得以制备。为了满足实际应用，单一功能的触觉传感器正朝着多功能方向发展，如三维力传感、温度传感、湿度传感等。得益于优异的传感性能，柔性触觉传感器可用于人体健康监测、运动监测、人工智能（如图5）。

图4. 基于仿生微结构的柔性触觉传感器：(a-c)仿皮肤表层互锁结构；(d-f)仿蜘蛛神经器官的裂纹；(g-i)仿动物胡须。

图5. 柔性触觉传感器应用

【总结】

本文介绍了柔性触觉传感器的最新研究进展，包括工作机理、传感材料、器件设计制造及应用。经过研究学者们不懈的努力，已经制备出高灵敏、快响应、低检测限、高可靠性的柔性触觉传感器，有些性能甚至超过了人体的皮肤。若将其应用到实际生活中，许多方面仍需我们进一步优化和拓展。未来柔性触觉传感器将朝着多功能、系统集成化、低能耗的方向发展。结合先进的智能反馈系统，具有精确的传感精度和较高可靠性的柔性触觉传感器在软体智能假肢有巨大的应用价值（如图6）。

图6. 智能假肢触觉反馈系统

文献链接：Recent progresses on flexible tactile sensors (Materials Today Physics, 2017, DOI:10.1016/j.mtphys.2017.06.002)

本文由南方科技大学郭传飞老师课题组供稿。

【课题组简介】

郭传飞博士现任南方科技大学材料科学与工程系副教授。入选第十二批“青年千人计划”。2016年加入南方科技大学，主要研究领域为柔性电子学、智能软体机器人、微纳米加工、纳米材料的生长与性能等。已在Nature Communications，PNAS，LSA，JACS，Advanced Materials，Nano Letters等学术期刊上发表论文60多篇。申请专利18项，已获中、美、日等国专利授权10项。参与编写英文专著一部。关于柔性透明电极方面的研究成果被《New York Times》、《新华网》、《Science Daily》、《Materials Today》、《Physics Today》等新闻媒体与科技刊物广泛报道。主持和参与国家自然科学基金重点项目、广东省“引进创新创业团队”、深圳市基础研究学科布局等项目。课题组实验条件完备、经费充足、科研氛围良好，欢迎广大青年才俊加入（guocf@sustc.edu.cn）。

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