香港城大于欣格教授课题组Nano Energy：蹦床启发的可拉伸TENG作为表皮电子的触觉传感器

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在可穿戴技术应用领域（医疗保健、环境监测和人机界面），对超薄和柔性电子产品的需求不断增长。为了更准确地感测人体信号，模仿人体皮肤功能的薄且可拉伸电子皮肤的多功能传感器件引起了极大的关注，是人造皮肤的最佳候选者。然而，供电问题仍然限制了电子皮肤的尺寸、重量和成本。基于各种机制的自供电设备已被成功地制备，为解决柔性自供电问题提供了可行的途径。其中，摩擦电纳米发电机（TENG）能够通过简单的设备架构将机械能转换为摩擦电，并且功率转换效率很高。此外，由TENG产生的电输出不仅可以为可穿戴设备提供电源，而且还可以感测机械力（例如压力/触觉检测）。鉴于上述优点，基于TENG的自供电器件被广泛地研究，从而实现灵活的能量收集、应变/应力感测、运动识别和位置映射。

但是，开发基于TENG的自供电式E-skin仍面临两个挑战。（1）TENGs的可拉伸性仍不如E-skin那样大，这可能会导致传感信号在皮肤变形下不稳定，从而限制了TENGs向E-skin方向的发展。（2）TENG的信号输出很大程度上取决于有效的工作（接触）区域，其中大多数报道的TENG为了减轻多通道传感器阵列中的电串扰问题，从而将标度设置为厘米级的，这样限制了高通道数触觉传感器阵列在高分辨率触觉识别和映射中的应用。

香港城市大学于欣格教授课题组在国际期刊Nano Energy (IF 16.602)上发表题为“Trampoline Inspired Stretchable Triboelectric Nanogenerators as Tactile Sensors for Epidermal Electronics”的研究论文。

本文首次结合结构力学设计、微结构设计和在TENGs中喷涂透明屏蔽层的策略，成功开发出薄、柔性、高伸缩性、电子皮肤集成和抗干扰功能的触觉传感器和传感阵列。其中，砂纸用于充当微结构的模具，以提高自供电效率，最终获得的自供电触觉传感器的灵敏度高达0.367 mV Pa^-1。受2D蹦床启发的结构设计，使基于TENG的E-皮肤具有出色的可拉伸性，从而能够在高达40％的应变下实现稳定的触觉感测。另外，串扰屏蔽层（通过采用透明的银纳米线直接喷涂作为屏蔽层）可以有效地抑制TENG触觉传感器阵列之间的电信号串扰。基于此，触觉传感器阵列能够集成在包括皮肤在内的各种曲面上，以区分接触物体的形状以及高分辨率的触觉映射。

•（1）首先在TENG传感器的电极中采用蹦床启发的设计，并实现出色的可拉伸性。

图1.微观结构和可拉伸的TENG的概述。a）TENG示意图。b）PDMS摩擦电区域的微结构表面。c）在垂直戳下，TENG会像蹦床一样变形。e）附着在人体皮肤上并随着皮肤变形的TENG的光学图像。d）电极布局图及其放大图。f、g）在拉伸、扭曲和弯曲下，TENG的应变分布和相应的光学图像的FEA结果。

•（2）在基于TENG的触觉传感器中结合了可拉伸的布局和微观结构修改，并在高水平应变下实现了出色的稳定电性能。

图2.用于皮肤集成式触觉的TENG。a）安装在人体皮肤上的TENG的光学图像，以及b）用人的手指触摸，戳，敲击和按压。c、d）用手指在不同负载下的TENG对应的OC电压和SC电流。e）用手指不断敲击（15-23 kPa），在4 Hz频率下，TENG的OC电压2500个周期。f）在不同位置集成了10个TENG的手套的光学图像，以及g）集成了TENG的手套持有200毫升烧杯的时刻。h）握住烧杯时的OC电压分布。

•（3）基于TENG的触觉映射中，首次报道利用AgNWs屏蔽涂层以实现高分辨率。

图3. 4×4触觉传感器阵列E-皮肤。a）4×4传感器阵列的示意图。b）AgNWs层的SEM图像（AgNWs层的平均薄层电阻：42.0Ω/ sq）。c）阵列布局的放大图。d）安装在人体手臂上的阵列的光学图像。e-g）分别受到机械变形（包括拉伸，扭曲和弯曲）的阵列。h-j）光学图像，k-m）对应于不同对象的传感器阵列映射的OC电压分布。（n）TENG阵列用作电子皮肤，安装在手臂上，并用“ CITYU”图案用手指触摸。（o），（p）用“CITYU”模式和相应的OC电压分布用手指触摸传感器阵列的示意图。

相关链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105590

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