上海交通大学朱向阳、谷国迎教授团队和卡耐基梅隆大学Carmel Majidi教授合作《AM》：高灵敏柔性离子凝胶压感皮肤

点击上方“蓝字” 一键订阅

设计触觉电子皮肤以模仿人类皮肤的功能和性能一直以来是一项重要的技术挑战。经过近些年发展，研究人员基于不同材料体系（从刚性到软体材料）和传感机理（电阻式、电容式、摩擦电式等）研发了一系列压敏触觉传感器件。然而，这些传感器容易受到外界噪声的干扰，在与机器人系统集成时面临的非结构化的动态环境中难以展现理想的传感性能。很多器件还受限于较窄的测压范围或复杂的表面微结构制造工艺。因此，如何设计具有优异性能的、可为实际应用提供实时、鲁棒的触觉反馈的压感皮肤仍是亟待解决的关键问题。

针对上述问题，上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所的朱向阳、谷国迎教授团队联合美国卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi教授提出了一种高灵敏的柔性离子凝胶压感皮肤，利用超高电容机理，实现了超宽的压力检测范围、快速响应时间、高电容基线（nF-μF级）和高信噪比，在生理信号监测、多点传感阵列、残疾人软体假肢手触觉皮肤反馈等领域取得了实际应用。近日，该论文以“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses”为题发表于Advanced Materials  期刊（影响因子：30.85）。博士研究生沈泽群为论文第一作者。

他们设计的压力传感器主要由离子导电的水凝胶和导电金属织布组成，外部由VHB薄膜封装，内部由硅胶支撑环做框架。其中NaCl-PAAm水凝胶具有良好的机电性能。与传统的pF级平行板电容压力传感机理不同，他们采用了新型的超高电容机理，将平行板电容中间绝缘的介电层替换为离子导电的水凝胶层，水凝胶与金属电极在界面处形成了双电层，金属电极表面的正负电荷分别吸引水凝胶中的相反极性的离子，在界面处大量微观的离子-电子对形成微电容，由于其间隙由毫米级降低至纳米级，其电容值显著增强，在宏观上形成了nF至μF级的超高单位面积电容。当压力增大时，由于金属电极织布微观表面的密集不平整的微结构，金属电极与水凝胶接触面积显著增加，从而导致电容值明显升高。

图1 超高电容压力传感器的设计与机理

压力传感性能

为了表征超高电容机理带来的性能优势，他们同时制备了同等材料、尺寸的传统平行板电容压力传感器做对照，灵敏度测试表明，新型超高电容压力传感器具有高出传统器件44倍的高灵敏度（图2a）。通过比较电容的初始值和峰值也可以发现，该压力传感器的电容值高出传统器件约3-5个量级（图2b，2c）。它具有超宽的压力测试范围，最高可达330 kPa，同时可以检测到极轻的物体，最低检测极限为35 Pa；它具有快速的响应时间为18ms，快于人体皮肤40 ms的响应时间（图2d）。循环加载下仍表现良好的稳定性，在高压180 kPa下，经过1500次的加卸载循环，电容信号衰减<2.3%（图2e，2f）。在110 kPa的较高压力下，它具有0.9%的高分辨率（图2g）。以上全面、优异的性能指标奠定了该压力传感器在实际应用中的基础。

图2 压力传感性能测试与表征

可穿戴生理信号监测

该压力传感器可以作为可穿戴电子皮肤应用。类似于人体皮肤，该电子皮肤可以区分不同的压力范围（图3a），并具有对瞬时压力刺激的检测能力，可以分辨从不同高度连续掉落的水滴（图3b）。在健康监测领域，将其贴附在受试者脖颈处，可以实时监测颈动脉脉搏和心率，其记录的压力信号与脉搏波的生理特征一一对应（图3c）；同时，它还可以监测咳嗽、深浅呼吸等生理信号（图3d）。

图3 可穿戴电子皮肤

多点传感阵列

他们将单个传感单元扩展为多点传感阵列，比如柔顺贴附在受试者前臂的一维7键阵列，可以作为柔性可穿戴电子琴模拟弹奏一段旋律（图4a，4b）。由于传感阵列具有超高的电容值和信噪比，不易受外界噪声干扰，各通道间的串扰很小，可以准确区分不同触点的压力信号。他们继续扩展了二维4x4的16通道阵列，可以将位置信息转换为模拟计算器，实时输出运算结果（图4c，4d）。传感阵列还具有同时识别多点压力的能力，当不同形状的物体放置在阵列表面时，其形状可以被准确识别和实时输出（图4e，4f）。

图4 多点传感阵列应用

视频1 可穿戴7键模拟电子琴

视频2 4x4计算器阵列

软体假肢手触觉皮肤

他们将压感皮肤与软体仿生手集成，柔软的皮肤可以柔顺地贴附在手指表面，且不会干扰气驱动手指的形变和运动。具有传感功能的仿生手可以检测微小物体的放置，例如340 mg的小螺母（图5a）、一片轻羽毛（图5b），还可以检测动态的、连续的压力，例如一个网球从指尖依次滚过（图5c）。他们还设计了人机交互性实验，当人的手指触碰到单个或多个仿生手指时，对应的仿生手指会自动弯曲以示回应（图5d）。超灵敏的压感皮肤还具有动态检测能力，可以实时控制工业机械臂的运动（图5e，5f）。将具有传感能力的仿生手固定在工业机械臂上，指令机械臂向前运动直到检测到羽毛的碰触。当67 mg的超轻羽毛触碰到机械手后，机械臂会接收到反馈信号然后立即停止，并反向运动。压力检测的信号可以被实时记录，证明该压感皮肤具有超灵敏的检测能力，以及在动态条件下的高信噪比、高鲁棒性。

图5 超灵敏的软体仿生手触觉皮肤

视频3 集成触觉电子皮肤的软体仿生手

视频4 触觉仿生手控制机械臂的运动

他们进一步设计了具有触觉反馈的软体机器人系统，使上肢截肢的残疾受试者使用EMG肌电信号控制具有传感功能的假肢手，指令其按压蛋糕一类的柔软物体（图6a）。对比了在有无实时触觉反馈的条件下，残疾受试者按压蛋糕的压力信号曲线，以及多级反馈的情况。当截肢者没有触觉反馈时，他感受不到输出力的大小，从而会持续按压蛋糕；当假肢手可以提供压力感知时，受试者会在压力达到一定阈值时接收到触觉反馈并停止按压（图6b）。压感皮肤还可以提供多级触觉反馈，以模拟正常人感知输出力大小的能力（图6c）。同时证明，压感触觉皮肤可以使佩戴假肢手的残疾人具有分辨不同尖锐程度物体的能力（图6d）。

图6 应用触觉假肢的软体机器人系统

视频5 有无触觉反馈的对比

视频6 多级触觉反馈

总结与展望

本工作基于新型超高电容的压力传感机理，提出了一种灵敏的柔性压感电子皮肤，实现了综合的、优异的传感性能，并将其应用于实际的可穿戴设备、软体机器人系统和残疾人假肢中，有望在下一代人机交互界面、智能机器人触觉系统等领域取得进一步应用。

该论文得到了国家自然科学基金，上海市科委“科技创新行动计划”项目和上海交通大学创新基金的资助。

论文信息：Zequn Shen, Xiangyang Zhu,Carmel Majidi, Guoying Gu, “Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines,Physiological Sensing, and Amputee Prostheses”, Advanced Materials,2021, 2102069.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202102069

相关进展

上海交大朱向阳教授和谷国迎教授等NSR：新型人工肌肉-模仿舌头与象鼻，伸缩弯扭全都行

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多