西工大陶凯课题组等 Adv. Sci.：基于微结构增强型水凝胶的摩擦纳米触觉传感器及人机交互界面系统

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随着可穿戴电子设备和人机交互界面系统的快速发展，为开发高效能、高灵敏度、优异的环境适应性和自驱动式的柔性压力传感器提出了新的挑战。传统的基于金属电极的电子设备由于自身的刚性无法满足可穿戴设备对于高柔性、高透明度及穿着舒适度的需求，而现有的柔性电极材料如液态金属纳米颗粒聚合物等多数材料由于自身限制，无法在低温及高温下的正常使用。因此亟待引入一种创新型材料解决上述问题，结合微纳加工工艺及摩擦纳米发电技术，在提升传感器自身灵敏度和环境适用性的同时实现智能电子皮肤和人机交互界面等功能。

西北工业大学陶凯副教授课题组基于MEMS加工工艺及溴化锂调节工艺，首次制备了带有表面微金字塔结构的双网络有机离子水凝胶并将其应用于自驱动传感器领域，结合PDMS多层旋涂工艺制备出集高柔性、高透明度（≈85%）、高灵敏度(45.97 mV/Pa)、高响应速度（≈20ms）、微压检测能力（50Pa）及高耐久度和稳定性（36000次循环）于一体的水凝胶触觉压力传感器。通过集成信号采集/处理电路，该触觉传感器可进一步作为自驱动柔性开关控制电气设备，通过监控测试者手势同步控制机械手作动。该柔性水凝胶传感器在多功能可穿戴电子设备、物联网传感系统及人机交互界面系统等领域具有广阔应用前景。该研究结果以“Ultra-Sensitive, Deformable, and Transparent Triboelectric Tactile Sensor Based on Micro-Pyramid Patterned Ionic Hydrogel for Interactive Human–Machine Interfaces”发表在国际著名期刊Advanced Science上。

图1：双工作模式的水凝胶触觉传感器（THS）结构设计及细节展示：a) 双电极模式和单电极模式柔性THS的结构设计、抗脱水耐低温示意图；微金字塔结构水凝胶表面的聚光共聚焦拍摄图b)和光学显微镜拍摄图c)；d) 单电极模式下THS的截面SEM拍摄图；e) 微金字塔结构PDMS表面的SEM拍摄图；f) 双电极模式THS实物图；g)单电极模式THS在原始、拉伸和扭转时实物图；h) 通过THS实时监测手部运动并控制机械手作动。 

图2：双网络结构离子水凝胶的抗冻抗脱水性能表征：原始水凝胶与溴化锂浸没处理（LBIT）水凝胶的分子结构、抗脱水与耐低温特性a)， XPS光谱分析b) ，DSC分析结果c-d)，耐低温性能e)，不同温度下的防脱水性能f-g)；常温下30天的保水能力h)，60天内重量与环境相对湿度的关系i-j)。

图3：双网络结构离子水凝胶的机械及电学性能表征：a)水凝胶中的双网络结构；b)原始水凝胶与LBIT水凝胶拉伸能力测试；LBIT水凝胶的机械及导电性能c)，拉伸力学曲线d)，重复拉伸测试e)；f-g) LBIT水凝胶的在不同拉伸工况下的阻值变化；h) LBIT水凝胶用作应变传感器检测指关节运动；−78.5℃存储1小时后的拉伸阻值变化i)，1000循环周期内的拉伸耐久度测试j)及用于人体运动检测k)。

图4：双模式THS的工作原理、输出性能及压力检测功能：a-d) 双电极模式下四种不同结构THS的压力检测性能；e) 两种模式THS的工作原理；平面及微金字塔结构单电极THS的压力检测性能f)，灵敏度g)，输出电压电流与负载的关系h)，功率密度与负载的关系i)。

图5：THS的多样化应用展示：a) THS在不同材料激励下的开路电压；b) THS在不同激励频率下的开路电压；c) THS在物联网、医疗监控、机器人控制等领域的应用；d) THS不同温度下的输出；e) THS用于水滴检测；f-j) THS用于人体运动信息检测；k-l) THS用于极端环境下的机器人运动检测。

图6：基于THS的人机交互系统展示：a) 人机交互界面系统设计原理图；b-c) THS作为柔性开关实现自驱动控制；d-f) THS用于手势模仿及控制机械手抓取；g) THS对手指运动检测时的五通道输出。

本文提出了一种新型双网络结构离子LBIT水凝胶，带有微金字塔结构的水凝胶首次被用作摩擦层和导电电极，使得THS具备高透明度(~85%)、高柔性和优异的温度适用范围 (−20~60℃)的同时总厚度小于1 mm。通过并对两种工作模式下的水凝胶自驱动压力传感器进行了深入研究，两种工作模式下得灵敏度分别达到2mV/ Pa和45.97 mV/ Pa，峰值功率密度最高可达20μW/cm²，该传感器在极端环境中表现出良好的性能和稳定性 (−20~60℃，90% RH和−0.1 MPa)。最后，该传感器作为柔性开关可通过监测人类手指的手势来控制电气设备和机械手的动作，该研究成果在自驱动可穿戴电子和人机交互界面应用中展示出了通用性和可行性。

论文信息：

K. Tao*, Z. Chen, J. Yu, H. Zeng, J. Wu*, Z. Wu, Q. Jia, P. Li*, Y. Fu, H. Chang, W. Yuan*. Ultra-Sensitive, Deformable, and Transparent Triboelectric Tactile Sensor Based on Micro-Pyramid Patterned Ionic Hydrogel for Interactive Human-Machine Interfaces. Advanced Science, 2022, 2104168. DOI: 10.1002/advs.202104168.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104168

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