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南科大郭傳飛教授團隊《Sci. Adv.》：一石三鳥 - 嵌入式傳感單元設計獲得兼具高靈敏度、高界面穩定性、低串擾的電子皮膚

2023-03-06 來源：高分子科技

近日，南方科技大學郭傳飛教授團隊在Science Advances上發表題為《Embedment of sensing elements for robust, highly sensitive, and crosstalk-free iontronic skins for robotics applications》的研究論文，報道了一種新型離-電型電子皮膚，兼具高傳感性能、高界面穩定性，以及低串擾。

電子皮膚是實現機器人觸覺的核心器件，對智能機器人領域的發展有重要意義。理想的電子皮膚應同時具備高傳感性能和高力學穩定性，前者可為機器人觸覺提供豐富的環境信息，后者在于保障傳感性能的持久發揮。然而，在電子皮膚中同時實現高靈敏度和高界面穩定性極具挑戰，因為二者一對矛盾——高性能傳感要求器件界面靈敏可變，而高力學穩定性則要求該界面少變化、不變化。

此外，電子皮膚中的另外一個重要挑戰是傳感陣點之間易于發生串擾。特別是在離-電型傳感陣列中，經常采用一整塊離子凝膠材料，離子在不同陣點之間的遷移是導致串擾的重要原因。

郭傳飛團隊提出一種傳感界面和力學界面分離的策略有效地解決上述問題。該團隊曾經研發出了一種超靈敏、大量程、快速響應的電子皮膚，他們在本文中，把這種具有高靈敏度的孤立傳感單元嵌入到一體化的軟材料基體中，使傳感界面和力學界面分離，同時獲得了高傳感性能、高力學穩定性。同時，這種孤立的傳感單元設計隔斷了不同陣點之間的離子遷移，從而有效消除了不同陣點之間的串擾。

圖1. 具有嵌入式結構的電子皮制備流程

有意思的是，這種把傳感單元孤立并嵌入到軟材料基材的方法沒有犧牲一定比例的力學穩定性，反而觀察到了界面的增強增韌。團隊揭示了這種增強和增韌機制：一方面傳感單元處的空腔對裂紋的擴展起到了釘扎作用，有效地防止了脆性裂紋的發生；另一方面，孔壁在剝離過程中產生巨大的形變，有效地耗散了形變能。因此，這種具有嵌入式結構的傳感陣列相較于單層的軟材料基體具有更高的強度及韌性，能顯著提升器件在剪切力作用下的耐疲勞性能。

圖2. 傳感器界面增強增韌機理

圖3. 傳感器的傳感性能

這種嵌入式結構設計將離子凝膠分隔為彼此獨立且絕緣的單元，消除了器件之間離子遷移產生的串擾，串擾的大小由35%降至0.02%。此外，團隊和騰訊合作，在電路和算法上都加入了抑制串擾的設計，消除了信號采集過程中因同行/列器件共用電極帶來的串擾。

圖4. 串擾消除及信號采集原理

這種電子皮膚能實現機器人的力反饋和識別功能。研究團隊將該電子皮膚用于機器人觸覺的示范，展示了其良好的力學穩定性，并進一步實現了靈巧手對不同抓取物體的識別。研究團隊用貼附了這種電子皮膚的靈巧手去抓取不同的物體，通過機器學習，最終實現了高達99.5%的識別準確率。該研究為人工假肢、仿人機器人的觸覺提供了一種非常有價值的技術。

圖5. 觸覺傳感陣列在機器人領域的應用

南方科技大學材料科學與工程系2020級博士生石君利為論文第一作者，騰訊Robotics X實驗室戴媛博士、南方科技大學材料科學與工程系2020級博士生程雨為論文共同第一作者，郭傳飛教授為論文唯一通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。本研究得到了國家自然科學基金委、廣東省科技廳、深圳市科創委以及騰訊犀牛鳥項目的支持。

論文鏈接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8831

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（責任編輯：xu）

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