浙江工业大学吴化平团队《Nano Energy》背封面: 多功能柔性电子皮肤实现复杂的加载过程和人体运动的精确解码！

作者|高分子科学前沿  来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

研究背景

随着近年来人工智能及智能终端的急速发展，人造仿生柔性电子皮肤也应运而生。其中，柔性压力传感器因其在智能医疗、健康监控和人机交互等领域具有广阔的应用前景而成为了研究热点。基于新型功能化材料和微纳米结构的设计，目前研发的柔性压力传感器在提高灵敏度和扩宽检测范围等方面已取得一定的成效。为了进一步实现动静态信息的感知，后续研究工作主要围绕双模式传感的有效结合来弥补单一传感模式的局限性。然而，如何充分利用双模式传感器的力敏传感特性和协同作用来实现复杂加载过程中多信息（刺激大小、加载方向、速率和加载时间）的实时感知，这在当前仍然是一个巨大的挑战。

针对这个难题，浙江工业大学吴化平教授和浙江理工大学刘爱萍（共同通讯）和宾夕法尼亚州立大学程寰宇（共同通讯）团队合作报道了一种新型的基于压电/压阻互锁金字塔微结构的仿生柔性双模式压力传感器。利用双模式传感模块对于刺激响应的协同作用，使其在较宽的压力及频率检测范围内都兼具高传感灵敏度。该团队通过深入分析及系统地揭示双模式传感的力敏传感机理及检测性能，实现了跨尺度力学信号及动静态刺激检测，并进一步完成复杂的刺激加载过程(加载压力及弯曲应变的大小、方向、速率及加载时间)的精确解码。此外，该柔性仿生多功能电子皮肤能实时监测并识别机械臂运行姿态、人体生理信号及运动，且实现了利用人体手腕运动来实时控制机械臂的运动，在软体机器人、人机交互、虚拟现实等方面都有着巨大的应用价值。

该研究以题为“Bioinspired, multifunctional dual-mode pressure sensors as electronic skin for decoding complex loading processes and human motions” 的论文发表在《Nano Energy》上，并被选为Back Cover。论文的第一作者为浙江工业大学裘烨博士研究生，田野校聘副教授为共同一作。

图1封底图设计:基于互锁金字塔微结构的双模式压力传感器在人机协作上的应用。

文章亮点

1）基于金字塔互锁微结构的压电/压阻双模式压力传感器的结构设计，实现了从静态到动态，从低频到高频跨尺度压力信息的高灵敏检测。

2）双模式传感器充分结合压电和压阻的动静态力敏传感机理及特性，实现了复杂加载过程中压力的大小、速率、方向及加载时间的同步检测，并进一步实现对机器臂运行姿态的实时控制。

内容简介

该团队受人体皮肤结构及感知功能的启发，设计了一种基于压电/压阻互锁金字塔微结构的柔性双模式电子皮肤。该双模式传感器的压电层模拟了人体皮肤中快适应类型的机械刺激感受器(麦斯纳氏小体、帕西尼氏小体)来检测高频动态刺激，而压阻模块感知静态压力类似于慢适应类型的机械感受器(梅克尔氏小盘、鲁菲尼氏小体)。互锁金字塔微结构模仿人体皮肤表皮层与真皮层间的棘突微结构，有助于增加压电层厚度方向上的应力分布及压阻层间的接触面积来提高灵敏度。同时，压电和压阻传感模式的协同效应使双模式电子皮肤具有较宽的压力及频率检测范围。最重要的是，刺激加载过程中的速率和方向可由压电层精确检测，刺激大小和持续时间的检测由压阻层完成。这种传感功能结合的独特设计，为双模式压力传感器在交互式人机界面提供了一个巨大的潜在应用前景。

图2: (a) 类人体皮肤的柔性压电-压阻双模式压力传感器结构设计。(b)双模式传感器对于复杂加载过程的解码能力及其在人机协作中的应用潜能。

通过理论预测和数值模拟系统地分析了表面圆柱、椭球和金字塔微结构对压电及压阻的力敏传感机理及性能调控作用，研究表明金字塔微结构能显著提高压电的输出电压和压阻接触面积，从而进一步提高双模式传感器的灵敏度。明确双模式传感的力敏调控机理之后，该团队采用流涎法和滴涂法制备了具有互锁金字塔微阵列的柔性双模式传感器，并对其传感性能进行了全面的测试。

图3: 微结构对压电(a)和压阻(b)传感性能影响的理论与数值模拟分析。(c)双模式传感器的制备流程图。(d)表面金字塔微结构的扫描电镜图。

测试结果表明压电模块在100Pa-9kPa的检测范围内具有1.62V/kPa-1的灵敏度， 而压阻模块在压力检测范围15Pa-4kPa内都能保持14.5 kPa-1的灵敏度。与此同时，压电模块由于压电效应的动态响应特性从而更善于检测动态高频信号（0.05-700Hz），压阻模块则受基体材料粘弹性的限制在检测低频静态压力方面更有优势（0-60Hz）。与之前的文献报道传感器性能相比，该双模式传感器在较宽的压力及频率范围内显示出了高的灵敏度。

图4: 双模式传感器的压力(a)和频率(c)检测区间。双模式传感器在压力(b)和频率(d)检测范围内的灵敏度。压电(e)和压阻(f)模块的检测区间及灵敏度与以往研究工作性能的对比。

压电和压阻传感模式的结合除了检测性能的提高外，还能充分利用双模式的传感特点来解码外界刺激复杂的加载过程。压缩和弯曲实验表明，压电模块可有效检测加载过程中刺激的加载速率和方向，而加载刺激的大小和加载时间可由压阻模块来完成检测。因此，双模式的协同作用可用来精确地感知刺激加载过程中的刺激大小、加载速率、方向和加载时间。

图5: 双模式传感器对于压缩(a)及弯曲(c)形式下的刺激加载过程实现精确解码。通过传感器监测所重现的压缩(b)和弯曲(d)加载过程与实际加载过程的对比。

双模式传感器进一步被集成在机械臂和人体上，实现了机械臂运行姿态和人体运动过程的实时监测。此外，以机械臂与人手同步动作（弯曲角度、方向和速率）的方式成功实现了对机器臂的远程控制应用。能够精确捕捉实时动态变化刺激的能力扩宽了柔性双模式传感器在智能机器人、交互式可穿戴电子和人机界面等领域上的潜在应用。

图6: (a) 多功能柔性双模式传感器在人机协作方面应用的示意图。机械臂姿态(b)和人体手腕运动(c)的实时监测。(d)人体手腕对于机械臂的实时控制。

该项研究受到国家自然科学基金（No. 11672269, 11972323, 51572242 和51675485），浙江省自然科学基金（No. LR20A020002, LR19E020004和LR18E050002），浙江省属高校基本科研业务费专项资金（RFB2019004），高等学校学科创新引智计划（No. D16004）和之江国际青年人才基金资助。

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)