Adv.Mater.：基于温度感知多功能传感器的电子皮肤

【引言】

感觉在人类与外部环境的接触中扮演着重要的角色。人类的皮肤会感知热和机械的刺激，并经神经系统进行分析，随后转变为相应的生理响应，以确保人类对外部环境做出快速反应并保证人类安全。近来，研究者们在具有类人感知能力的柔性人造电子皮肤方面的研究中做出了巨大努力，这些成果可应用在皮肤修复、类人机器人以及可穿戴的健康监控系统中。归功于精巧的触觉感知、大面积的触觉映像、光学可视化以及无线监控系统的发展，基于微/纳米材料的柔性压力传感器达到了更高级的特性。集成在不同衬底上的压力和温度传感器逐渐被用来模拟人体皮肤对于外部机械和热的刺激的复杂感知系统。尽管人造电子皮肤已经达到了很高的复杂度，但是诸如多功能模块的集成、更简单的制作工艺以及大面积和低成本的应用等挑战依然摆在广大研究者的面前。

【成果简介】

近日，来自清华大学的朱荣教授（通讯作者）等人报道了一种具备多重感知能力的类人多功能电子皮肤，这项研究成果以“Electronic Skin with Multifunction Sensors Based on Thermosensation”为题发表在了2017年2月13日的Advanced Materials上。

实验中的电子皮肤具备感知外界温度和压力刺激的能力，同时还能区分物质的种类并感知风的吹动，从而达到了人类皮肤这样一个精巧的传感系统的程度。实验装置中热敏的铂薄膜沉积在柔性的聚酰亚胺衬底上，被用来模拟人类皮肤上的多重传感器。铂首先被加热到一较高温度，当铂接触到某物体时，由于热传递，热敏元素会对物体的热导率进行响应，从而影响其温度，达到鉴别不同物质的作用。对于风的感知基于风吹动时温度的改变，而对于压力的感应则是因为铂上的多孔弹性体在外部压力下会发生弹性形变从而影响其热导率的原理。

【图文导读】

图1 多功能电子皮肤设计图

（a）传感单元交错布置的柔性电子皮肤

（b）覆盖（右）和未覆盖（左）PDMS的传感单元的设计

（c-f）分别感知温度、风、鉴别物质、感知压力时的工作示意图

（g）传感单元的放大图

（h）电子皮肤的分解图

（i）附着于手上的电子皮肤原型照片

图2 电子皮肤的压力和温度感知能力

（a）电子皮肤的压力响应

（b）使用不同混合比例PDMS的电子皮肤的压力响应

（c）使用不同厚度PDMS的电子皮肤的压力响应

（d）不同加热温度下电子皮肤的压力响应

（e）压力传感器的动态响应

（f）不同重量下3x3传感器阵列的压力测量图

（g）加热和冷却过程中电子皮肤的温度响应

（h）逐滴滴加热水时温度传感器的动态响应

（i）在2x2传感器阵列上分别放置加热的L型铜片和间隔30s进行冷却操作时电子皮肤的温度分布图

图3 物体识别和感知风吹动的能力

（a）室温下电子皮肤接触不同材料时的输出电压响应

（b）水滴在传感器阵列上进行滴加时相应的水滴分布图

（c）不同吹动角度下风速为0-6 m s^-1时电子皮肤的输出电压

（d）不同风速下吹动角度为0到90度时电子皮肤相应的输出电压

（e）利用加热薄膜的正交结合区分风速和吹风角度的方法示意图

图4 电子皮肤的多模式传感能力

（a）电子皮肤在测量温度和压力下的多模式传感性

（b）电子皮肤在测量温度和物体种类下的多模式传感性

【小结】

本文研究了基于热感元件的多功能类人电子皮肤，其对外部的热和机械刺激具备多重感知能力，并且可以区分物体种类并感知风的吹动。由于外部热传递和热导率的变化，所以热敏元素铂可以对外界的刺激做出反应并将其输出为可测量的电信号，这就使得这种电子皮肤虽然集成了多种功能，但是并没有增加器件的复杂程度。这为研究类人皮肤的电子皮肤提供了研究思路，并且结合柔性的印刷电路，这种器件的制作流程也使大规模、低成本地制作器件成为可能。

文献链接：Electronic Skin with Multifunction Sensors Based on Thermosensation（Adv.Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606151）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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