柔性觸覺傳感器在生理傳感、人機(jī)界面和機(jī)器人系統(tǒng)等許多領(lǐng)域的應(yīng)用正受到日益廣泛的關(guān)注。針對(duì)上述應(yīng)用，研究人員已開發(fā)出多種采用不同傳感機(jī)制的觸覺傳感器，例如電阻式、壓電式、摩擦電式和電容式。其中，接觸電阻型觸覺傳感器因其設(shè)計(jì)簡單且信號(hào)易獲取而得到廣泛應(yīng)用。在這些傳感器中，傳感元件的結(jié)構(gòu)和材料非常重要，因?yàn)閭鞲性慕佑|電阻變化直接關(guān)系到傳感器的靈敏度和壓力檢測(cè)范圍。因此，已有研究提出了具有各種微結(jié)構(gòu)的傳感元件層設(shè)計(jì)，例如金字塔型、穹頂型、柱體型以及層級(jí)結(jié)構(gòu)等。這些微結(jié)構(gòu)在施加壓力時(shí)會(huì)引起接觸面積的顯著變化，從而提高觸覺傳感器的靈敏度。此外，許多納米材料被用作導(dǎo)電材料，同時(shí)保持機(jī)械柔韌性，包括零維（0D）結(jié)構(gòu)（例如金屬納米顆粒和炭黑），一維（1D）結(jié)構(gòu)（例如金屬納米線和碳納米管（CNTs）），以及二維結(jié)構(gòu)（例如MXene和石墨烯）。
另一方面，三維（3D）多孔結(jié)構(gòu)具有較大的表面積，在施加力時(shí)可使接觸面積發(fā)生顯著變化，使其成為觸覺傳感應(yīng)用的理想結(jié)構(gòu)。特別是，3D多孔結(jié)構(gòu)能有效分散施加的壓力，即使在高壓水平下也能逐漸擴(kuò)展接觸界面。這種3D結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)具有更寬的傳感范圍。然而，這些觸覺傳感器的靈敏度通常低于0.1 kPa?1，限制了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)傳感和機(jī)器人系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。提高靈敏度的策略之一，是使用兩種或多種納米材料作為3D多孔結(jié)構(gòu)的功能化材料。利用具有不同特性的納米材料的協(xié)同效應(yīng)可以增強(qiáng)觸覺傳感器的靈敏度。但是，設(shè)計(jì)開發(fā)能夠在寬壓力范圍內(nèi)保持高靈敏度的觸覺傳感器仍然存在挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，延世大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員展示了一種基于3D多孔框架的柔性高靈敏觸覺傳感器，該傳感器通過可規(guī)?；闹圃旃に嚕闪私鸺{米顆粒（AuNPs）修飾的碳納米管（AuNPs-CNTs）。其中，AuNPs通過濕法化學(xué)沉積直接沉積在CNTs表面，然后通過簡便的“浸漬干燥”方法涂覆在高度多孔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）結(jié)構(gòu)上。與依賴復(fù)雜微加工技術(shù)的現(xiàn)有柔性觸覺傳感器相比，該傳感器在制造簡單性和可擴(kuò)展性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“Flexible tactile sensors based on gold nanoparticles-precipitated carbon nanotubes with low contact resistance and high sensitivity”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
論文摘要附圖
a）基于AuNPs-CNTs涂層海綿的觸覺傳感器的制備過程示意圖。該觸覺傳感器由涂覆AuNPs-CNTs的海綿和銅電極組成。b）受壓和釋壓狀態(tài)下的觸覺傳感器。c）涂覆AuNPs-CNTs的導(dǎo)電海綿的掃描電鏡圖像。
基于AuNPs-CNTs涂層海綿的觸覺傳感器在常規(guī)壓力下的壓力傳感特性
功能材料表征
該傳感器的高靈敏度，源于直接沉積在CNTs上的AuNPs具有的低接觸電阻。AuNPs在CNTs表面的沉積引入了Lennard-Jones相互作用，并且與原始CNTs相比具有更低的費(fèi)米能級(jí)，從而提高了載流子濃度和電導(dǎo)率。研究人員通過實(shí)驗(yàn)研究了AuNPs的存在及其形成方法對(duì)壓力傳感特性的影響。具體而言，研究人員使用不同的功能材料（CNTs表面直接沉積AuNPs、CNTs以及AuNPs與CNTs的混合物）制造了三種觸覺傳感器，并對(duì)它們進(jìn)行了表征。
沉積AuNPs濃度的表征
研究人員制備了三種不同AuNPs濃度的傳感器，同時(shí)保持CNTs濃度不變，以研究AuNPs濃度對(duì)傳感器特性的影響。通過控制CNTs和HAuCl?溶液的重量比，調(diào)整了修飾AuNPs的濃度，以獲得低密度AuNPs（CNTs和HAuCl?的重量比為1：3.8）、中密度AuNPs（CNTs和HAuCl?的重量比為1：3.9）和高密度AuNPs（CNTs和HAuCl?的重量比為1：4.0）的傳感器。
使用不同濃度AuNPs修飾的CNTs作為功能材料對(duì)觸覺傳感器進(jìn)行表征
可穿戴健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用
基于AuNPs-CNTs涂層海綿的觸覺傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和寬廣的壓力檢測(cè)范圍，并且具有可擴(kuò)展的制造工藝。這使其非常適合檢測(cè)從生理壓力（微弱）到大幅度人體運(yùn)動(dòng)（高壓）的各種壓力。研究人員將該觸覺傳感器貼在受試者的身體上，以精確測(cè)量這些應(yīng)用中的信號(hào)。結(jié)果證明，所制造的觸覺傳感器成功檢測(cè)到了心跳的低壓力和腳步的高壓力。
研究人員展示基于AuNPs-CNTs涂層海綿的觸覺傳感器用于健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用
結(jié)論
該研究成功開發(fā)了一種包含3D多孔結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器，其結(jié)構(gòu)涂覆了AuNPs修飾的CNTs涂層。當(dāng)施加外部壓力時(shí)，AuNPs-CNTs之間的接觸點(diǎn)增加，導(dǎo)致電流增大。特別是，由于該功能材料之間接觸電阻低，顯著提高了電流。該傳感器表現(xiàn)出高靈敏度，在低壓范圍（0.05–500 kPa）達(dá)到23.23 kPa?1，在高壓范圍（500–1125 kPa）仍能達(dá)到11.06 kPa?1。此外，該器件表現(xiàn)出許多優(yōu)異的特性，包括快速響應(yīng)、高重復(fù)性和再現(xiàn)性。研究人員通過改變功能層的形成以及修飾AuNPs的濃度對(duì)該器件進(jìn)行了表征。利用該傳感器，研究人員成功監(jiān)測(cè)了人體生理信號(hào)和人體運(yùn)動(dòng)，表明其有望應(yīng)用于可穿戴電子系統(tǒng)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01056-5
