電子皮膚（e-skins）作為一種新型電子器件，在人機交互、醫療健康、機器人觸覺等領域廣泛應用。長期以來，電子皮膚的發展始終面臨一個挑戰，其多層異質結構產生的應力失配以及層間的弱粘附性問題，使其在極端的機械條件下極易出現信號失真或失效。此外，將電子皮膚集成在軟體機器人或其它機器時同樣存在該問題。因此，解決電子皮膚界面穩定性并提高其傳感性能，對于其應用拓展意義重大。
據麥姆斯咨詢報道，近期，南方科技大學郭傳飛教授團隊開發出一款基于聚二甲基硅氧烷-碳納米管（PDMS-CNTs）復合材料的柔性壓力傳感器，其微結構界面引入了拓撲交聯設計策略，可實現傳感器與軟體機器人的無縫集成，在極端的機械條件下能表現出超穩定的傳感性能。該項目聯合單位包括四川大學、沈陽科技大學和騰訊Robotics X實驗室，研究成果已發表于Nature Communications期刊。
該項研究中，研究人員創新性地提出了同質器件結構的設計策略，所有器件均采用PDMS-CNTs材料制成，有效避免了異質結構所產生的應力失配。同時，器件各功能層通過拓撲交聯相互連接，獲得了高達~390J·m?2的界面韌性和90kPa的高剪切強度。
集成式PDMS-CNTs柔性壓力傳感器的設計機制
該PDMS-CNTs柔性壓力傳感器微結構界面的高韌性和強度得益于拓撲交聯、微結構引起的彈性耗散以及微錐體的離散破裂模式。雖然摻雜了少量的碳納米管會導致復合材料的楊氏模量增加，但微小的差異幾乎不會導致應力失配，所有功能層都表現出相似的應力特性。
PDMS-CNTs柔性壓力傳感器微結構界面的設計機制
在高壓、高剪切力模式下，PDMS-CNTs柔性壓力傳感器均表現出優異的傳感性能。研究人員將其在10kPa的常壓和2mm的往復位移下循環摩擦10萬次，或在5kPa的剪切力下循環作用1萬次后，該傳感器均未出現信號幅度或機械故障的明顯變化。
PDMS-CNTs柔性壓力傳感器的傳感特性、傳感機制和信號穩定性測試
為了進一步測試該傳感器在極端條件下的穩定性，研究人員將其貼附在汽車輪胎上，汽車行駛時輪胎胎壓約為300kPa，剪切應力約為6kPa，當行駛2.6km后該傳感器仍可以正常工作，作為對照的商用壓力傳感器在汽車行駛0.5km時則出現故障了。
PDMS-CNTs柔性壓力傳感器和輪胎胎面商用壓力傳感器的對比測試
該同質結構和界面拓撲交聯的器件設計策略還可以應用于傳感器與機器人的集成上。研究人員展示了軟體機器人與傳感器的無縫集成，二者都由PDMS-CNTs復合材料制成，在不同的抓取場景下，器件均表現出極穩定的傳感性能，且微結構界面未出現任何故障或疲勞。
軟體機器人與PDMS-CNTs柔性壓力傳感器集成的抓取測試
該研究成果為開發具有更高靈敏度、響應率和韌性的電子皮膚，以及進一步提升傳感器與軟體機器人的集成度開辟了一條新的道路。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29093-y
延伸閱讀：
《電子皮膚貼片技術及市場-2021版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《可穿戴技術及市場-2021版》
《醫療柔性電子技術及市場趨勢-2020版》
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片產品分析》
