Advanced Materials：可拉伸摩擦电-光智能皮肤用于触觉和手势传感

【引言】

智能皮肤作为仿生机器人与外部环境之间的媒介，需要具备可拉伸性和触觉传感特性，以及测量多种外部机械刺激的能力。近年来，已有多种基于压力传感器的智能皮肤被开发应用于触觉传感，但由于缺少可拉伸性和横向拉伸传感的特性，大大限制了这些人造智能皮肤的功能和应用。此外，一些动物皮肤可以通过改变颜色和发光强度进行交流和伪装，所以具备可调节的光学特性对于智能皮肤也具有重要的意义。

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士领导的科研团队研发了一种可拉伸的摩擦电-光智能皮肤（STPS），它能为机械手提供多维度的触觉和手势传感。STPS基于仿生皮肤褶皱的光栅结构薄膜，可以在不同的横向拉伸应变下表现出可调的聚集诱导发光（AIE）。同时，也可以作为摩擦纳米发电机（TENG），将开路电压用于纵向压力传感，并且在不同的拉伸条件下压力传感特性保持稳定。通过将STPS集成在机械手上作为共形的覆盖层，STPS表现出了多维度的触觉传感和手势翻译特性。这种耦合了摩擦电与光激发的多功能传感终端，将在人机交互、软体机器人和人工智能等领域有着广泛的应用前景。该研究成果以题为Stretchable Triboelectric–Photonic Smart Skin for Tactile and Gesture Sensing在Advanced Materials进行发表（DOI：10.1002/adma.201800066）。

【图文导读】

图1 可拉伸摩擦电-光智能皮肤（STPS）的概观图

（a）STPS的制备流程图

（b）STPS的结构图

（c）STPS用于机械手的示意图

（d）AIE复合物的化学结构图

（e）AIE复合物在不同浓度THF-水溶液中的光致发光（PL）光谱

（f）固态AIE复合物的PL光谱

图2 STPS用于横向拉伸应变传感的可调PL特性

（a）STPS基于光栅结构金属薄膜的可调PL原理

（b）在365 nm紫外光照射下，不同拉伸应变状态STPS的发光图

（c）不同拉伸应变下光栅结构金属薄膜的光学显微镜图

（d）光栅结构金属薄膜的裂纹宽度随拉伸应变的变化关系

（e）不同拉伸应变下STPS的PL光谱

（f）510 nm处的峰值强度随拉伸应变的变化关系

（g）STPS用于横向拉伸应变传感的稳定性和耐久性测试    

图3 STPS用于纵向压力传感的电压特性

（a）STPS作为TENG的工作原理示意图

（b）不同接触压力下STPS的开路电压峰形

（c）STPS的开路电压随接触压力的变化关系

（d）不同拉伸应变下STPS的开路电压随接触压力的变化关系

（e）STPS用于纵向压力传感的稳定性和耐久性测试

图4 STPS集成于机械手的传感特性

（a）集成在机械手食指上STPS的实物图以及不同关节弯曲时的发光图

（b）不同弯曲状态下三个关节处光电流的变化以及同步的由触摸引起的开路电压的变化

（c）手势“OK”的三维PL强度图

（d）不同触摸状态下STPS的开路电压

【小结】

本文提出了一种可拉伸摩擦电-光智能皮肤。该智能皮肤可以通过应变调控的光致发光强度来传感横向拉伸应变，同时也可以作为摩擦纳米发电机，利用电压信号来传感纵向压力，并且在不同的拉伸应变下纵向压力传感的特性保持不变。该智能皮肤作为一个共形的覆盖层集成在机械手上，可表现出对不同外部机械刺激以及不同手势的多维度传感。这项工作首次实现了摩擦电和光激发耦合的多功能传感终端，在人机交互、软体机器人和人工智能领域具有重要的应用前景。

文献链接：Stretchable Triboelectric–Photonic Smart Skin for Tactile and Gesture Sensing（Adv. Mater, 2018, DOI: 10.1002/adma.201800066）http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201800066/full

本文由材料人电子电工学术组李小依【李文健】供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭http://www.cailiaoniu.com/25127.html。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：RDD-2011-CHERISH , 任丹丹，我们会邀请各位老师加入专家群。

材料测试，数据分析，上测试谷！http://www.ceshigu.com/