背景介紹

仿生功能電子技術(shù)是朝著開發(fā)與現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境無縫集成的智能技術(shù)邁出的重要一步。受人類皮膚感官功能的啟發(fā)，模仿人類皮膚特征的柔性傳感器在商業(yè)開發(fā)和研究領(lǐng)域都引起了廣泛關(guān)注，電子皮膚（e-skin）的概念就是一個(gè)例子。這種興趣源于它們在觸摸傳感技術(shù)、人工智能系統(tǒng)、個(gè)人健康監(jiān)測和人機(jī)界面等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。為了模擬人類皮膚的獨(dú)特特性，柔性傳感器必須附著在動(dòng)態(tài)和不規(guī)則的表面上，同時(shí)能夠承受壓力、摩擦和彎曲等多重、重復(fù)和長期的機(jī)械刺激。此外，作為一種多功能耐用的傳感器，必須具有高靈敏度、高線性和快速響應(yīng)時(shí)間。

到目前為止，已經(jīng)成功開發(fā)了基于不同傳感機(jī)制的各種類型的柔性物理傳感器。作為電子皮膚，這些傳感器需要產(chǎn)生易于檢測的電信號來測量和量化人類活動(dòng)。主要的傳感機(jī)制包括壓電效應(yīng)、電容和壓阻效應(yīng)。這些傳感器的獨(dú)特特征來自于使用不同的復(fù)合材料和設(shè)備架構(gòu)。例如，在壓阻傳感器的情況下，傳感能力由傳感結(jié)構(gòu)提供，傳感結(jié)構(gòu)通常由活性材料組成，如碳納米管、石墨烯、金屬納米粒子、金屬納米線和混合納米材料。當(dāng)感測結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力時(shí)，其中的導(dǎo)電材料可以很容易地相對于彼此滑動(dòng)，即使在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)也能保持導(dǎo)電路徑的良好靈活性和完整性。因此，這種應(yīng)變傳感器的可拉伸性在很大程度上取決于滑動(dòng)機(jī)制；然而，由于它們對裂紋擴(kuò)展機(jī)制的強(qiáng)烈依賴，它們通常具有低靈敏度，導(dǎo)致固有的局限性。在壓力傳感器設(shè)計(jì)方面，一種主要的信號傳導(dǎo)方法是電容式的。電容式壓力傳感器已成功與紡織品集成，并設(shè)計(jì)成可彎曲的腕帶，用于指尖壓力測繪。柔性膜室與用作電容器的平行金屬板和用作平面電感器的周圍金屬線相結(jié)合，形成諧振電路，已被用于創(chuàng)建用于壓力監(jiān)測的電感電容壓力傳感器[20]。然而，這些各種柔性傳感器的制造過程通常復(fù)雜、昂貴、耗時(shí)，并且需要大規(guī)模集成納米材料，這限制了工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。此外，這些傳感器大多不適合高能耗場景，很少考慮電子皮膚柔性傳感器所必需的靈活性。因此，理想情況下，這種靈活的傳感器應(yīng)該具有無線能力，并且獨(dú)立于外部電源，這將大大提高其應(yīng)用靈活性。更重要的是，現(xiàn)有的柔性可穿戴傳感器只能檢測正壓，但無法復(fù)制人體皮膚感知表面摩擦力的能力，嚴(yán)重限制了功能性e-skin型傳感器的應(yīng)用范圍和深度。此外，由于大多數(shù)報(bào)道的傳感器都是扁平或笨重的，因此在活動(dòng)監(jiān)測或機(jī)器人傳感應(yīng)用中，它們通常需要粘合劑和其他復(fù)雜的基材才能附著在人體皮膚或衣服上。這極大地阻礙了它們在可穿戴電子產(chǎn)品中的使用。因此，需要作出更多努力來解決這些問題。

TENG是一種新興的能量收集和自供電傳感技術(shù)，利用接觸帶電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)，將無處不在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。其輸出不僅用作電源，還用作自供電傳感器的信號源。TENG技術(shù)因其高效、便攜、低成本、環(huán)保和廣泛的可用性而備受青睞，因此在微能量收集和多模態(tài)自供電傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作開發(fā)了一種丙烯酸酯（AA）-聚谷氨酸（PGA）水凝膠材料，其機(jī)械性能與皮膚相似。通過將摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）集成到AA-PGA水凝膠基質(zhì)中，構(gòu)建了一種雙模柔性傳感器，能夠利用生物力學(xué)能量進(jìn)行多向力傳感。

2. 該傳感器具有高靈敏度、高線性度、快速響應(yīng)和出色的穩(wěn)定性。提出了一種機(jī)器人手部電子皮膚監(jiān)測和分析系統(tǒng)的原型，以展示AA-PGA水凝膠傳感器的性能。

3. 作為一種自驅(qū)動(dòng)傳感器，AA-PGA水凝膠傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測生理信號，如手腕脈搏檢測和語音識別。

4. 它還在一系列個(gè)性化監(jiān)測場景中不斷展示，包括手寫、步數(shù)和呼吸監(jiān)測，進(jìn)一步證實(shí)了其出色的傳感能力。

圖文解析

圖1. 紫外光固化AA-PGA復(fù)合水凝膠的制備工藝。基于AA-PGA水凝膠的柔性電子設(shè)備三維力檢測設(shè)計(jì)策略和應(yīng)用場景。

圖2. AA-PGA水凝膠的表征。（a） AA-PGA水凝膠表面形態(tài)的SEM圖像。（b） AA-PGA水凝膠的放大圖像。（c） PGA和AA-PGA水凝膠的XRD曲線和（d）FTIR光譜。（e） AA-PGA水凝膠的拉伸和（f）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（g） AA-PGA水凝膠粘附在不同基質(zhì)上的剪切強(qiáng)度測試結(jié)果。（h） AA-PGA水凝膠的波長依賴性透射光譜。（i） 顯示AA-PGA水凝膠透明度的照片。將水凝膠放在校園卡上并沒有掩蓋標(biāo)志。

圖3. AA-PGA水凝膠傳感器的機(jī)電性能。響應(yīng)于（a）不同力水平（0.02-0.5 N）的循環(huán)壓縮試驗(yàn)和（b和c）不同力級別（0.02-0.2 N）的周期滑動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)時(shí)電位變化。（d） 當(dāng)電壓信號相似時(shí)，實(shí)時(shí)電容器信號會(huì)響應(yīng)以區(qū)分按壓和滑動(dòng)兩種模式。（e） AA-PGA水凝膠傳感器的擬合指數(shù)與連續(xù)施加力的關(guān)系。（f） 阿什比式圖比較了AA-PGA水凝膠傳感器的響應(yīng)時(shí)間和尺寸與文獻(xiàn)中報(bào)道的其他水凝膠力傳感器的響應(yīng)速度和尺寸。

圖4. 智能AA-PGA水凝膠傳感器在機(jī)器人電子皮膚中的應(yīng)用。（a） 機(jī)器人手指能夠感知不同方向的壓力和摩擦力。（b） 能夠檢測周圍環(huán)境中的雨滴。（c） AA-PGA水凝膠傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性超過1000次循環(huán)。（d） 實(shí)時(shí)監(jiān)測四個(gè)方向收集的電壓信號。（e） ANN模型的示意圖和（f）方向識別結(jié)果的混淆矩陣。

圖5. 檢測人體微小運(yùn)動(dòng)。對喉嚨運(yùn)動(dòng)的潛在變化反應(yīng)，包括（a）“Ni”和“NiHao”，以及（b）輕微咳嗽、大聲咳嗽和吞咽。（c） AA-PGA水凝膠傳感器在不同角度下對手指的電位變化做出反應(yīng)。（d）書寫、（e）吹臉頰和（f）脈搏的潛在變化。（g） 不同頻率呼吸時(shí)的實(shí)時(shí)電位變化。（h） 緩慢行走、行走和跑步時(shí)的電位信號曲線。

來源：柔性傳感及器件

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