河南科技大学陆昶教授团队《ACS AMI》：力识别柔性触觉传感器

点击蓝字关注我们

近期，河南科技大学陆昶教授团队在具有力识别能力的柔性传感器方面取得新进展。通过在柔性基底表面构建多层次微纳结构，制得具有法向力和剪切力识别能力的柔性触觉传感器，并将该传感器用于机械臂抓握动作的实时监控。相关成果以标题为“Ultrathin Superhydrophobic Flexible Tactile Sensors for Normal and Shear Force Discrimination”发表在ACS Applied Materials & Interfaces. 
图1多层次微纳结构柔性触觉传感器的制备工艺及其形态结构。
本文以医用胶带（弹性层为聚氨酯（PU），粘结层为聚醋酸乙烯酯（PVAc））为柔性基底，采用拉伸-转移-松弛定型工艺在其表面制备出具有多层次微纳结构：粘结层形成微米尺度的褶皱，翘起的石墨烯覆盖在褶皱表面。同时，系统研究了拉伸时间、拉伸长度对褶皱形态的影响。 
图2 触觉传感器对法向力和剪切力的响应行为及其响应机理
传感器对施加的法向力和剪切力都能产生响应（图2a）。且传感器对剪切力的响应时间明显长于法向力（图2b）。因此，可通过传感器响应时间的差异，用于识别法向力和剪切力。同时，传感器对法向力和剪切力的识别具有较好的鲁棒性（图2c）。经过60次的循环测试，其响应强度没有发生明显变化，且对剪切力的响应时间明显长于法向力。传感器独特的多层次微纳结构是其具备法向力和剪切力识别能力的主要原因（图2d-f）。 
图3 触觉传感器对多种外界机械刺激的响应特性
触觉传感器的多层次微纳结构使其对法向力具有检测下限低、检测范围宽、对大的法向力敏感性高的特性（图3a）。石墨烯的翘曲结构使其能感知到低至15 Pa的法向力（图3b）；利用褶皱的形变不仅能使其感知到30 kPa的法向力，且敏感性可达0.038 N^-1.传感器对法向力的高灵敏感知特性，甚至使其能感知到剪切增稠材料在法向力作用下的松弛过程（图3c）。图d-e显示传感器对剪切力具有极低的检测下限。在0.01N、0.1N的法向力下，传感器对剪切力的检测下限分别低至6.4mN和16mN。传感器还能感知到16mN的法向力的变化（图3f）。同时，传感器对气流（图3g）、滑动摩擦（图3h）都具备感知能力，且对法向力的感知具有良好的鲁棒性（图3i）。 
图4 触觉传感器对于机械臂抓握、举起物体过程中的实时响应信号
基于对气流、法向力、剪切力及滑动摩擦等外界机械刺激的响应能力，触觉传感器可用于对图4a所示的机械臂抓取物体的全过程进行实时监控。如利用其对气流的感知能力用于监控机械臂的移动（图4b）；利用其对法向力的感知特性用于识别被抓握物体的摆放位置（图4c）；基于其对剪切力的识别能力，可辨别被抓握物体的重量（图4d）。基于对滑动摩擦的感知能力，可识别被抓握物体的滑脱（图4e）。 
图5 （a-c）触觉传感器的超疏水特性及其（d）对机械臂水下抓握物体的实时监控
触觉传感器表面的微纳结构使其具备超疏水特性，甚至样品经过500次的反复按压后，仍能保持超疏水性能（图5a-b）。超疏水性能使其在机械臂抓握湿润物体时，仍能感知并识别剪切力和法向力（图5c）。利用传感器的超疏水性能，我们实现了机械臂水下抓取物体的实时监控（图5d）。
硕士研究生张梦培、高喜平副教授为论文共同第一作者，陆昶教授、姚大虎副教授为论文共同通讯作者。河南科技大学为论文唯一署名单位。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c17391

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。