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南科大郭傳飛教授團(tuán)隊(duì)《Sci. Adv.》:一石三鳥(niǎo) - 嵌入式傳感單元設(shè)計(jì)獲得兼具高靈敏度、高界面穩(wěn)定性、低串?dāng)_的電子皮膚
2023-03-06  來(lái)源:高分子科技

  近日,南方科技大學(xué)郭傳飛教授團(tuán)隊(duì)Science Advances上發(fā)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(bào)道了一種新型離-電型電子皮膚,兼具高傳感性能、高界面穩(wěn)定性,以及低串?dāng)_。


  電子皮膚是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人觸覺(jué)的核心器件,對(duì)智能機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義。理想的電子皮膚應(yīng)同時(shí)具備高傳感性能和高力學(xué)穩(wěn)定性,前者可為機(jī)器人觸覺(jué)提供豐富的環(huán)境信息,后者在于保障傳感性能的持久發(fā)揮。然而,在電子皮膚中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高界面穩(wěn)定性極具挑戰(zhàn),因?yàn)槎咭粚?duì)矛盾——高性能傳感要求器件界面靈敏可變,而高力學(xué)穩(wěn)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(gè)重要挑戰(zhàn)是傳感陣點(diǎn)之間易于發(fā)生串?dāng)_。特別是在離-電型傳感陣列中,經(jīng)常采用一整塊離子凝膠材料,離子在不同陣點(diǎn)之間的遷移是導(dǎo)致串?dāng)_的重要原因。


  郭傳飛團(tuán)隊(duì)提出一種傳感界面和力學(xué)界面分離的策略有效地解決上述問(wèn)題。該團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)研發(fā)出了一種超靈敏、大量程、快速響應(yīng)的電子皮膚,他們?cè)诒疚闹校堰@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(xué)界面分離,同時(shí)獲得了高傳感性能、高力學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí),這種孤立的傳感單元設(shè)計(jì)隔斷了不同陣點(diǎn)之間的離子遷移,從而有效消除了不同陣點(diǎn)之間的串?dāng)_。 


圖1. 具有嵌入式結(jié)構(gòu)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(méi)有犧牲一定比例的力學(xué)穩(wěn)定性,反而觀察到了界面的增強(qiáng)增韌。團(tuán)隊(duì)揭示了這種增強(qiáng)和增韌機(jī)制:一方面?zhèn)鞲袉卧幍目涨粚?duì)裂紋的擴(kuò)展起到了釘扎作用,有效地防止了脆性裂紋的發(fā)生;另一方面,孔壁在剝離過(guò)程中產(chǎn)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(jié)構(gòu)的傳感陣列相較于單層的軟材料基體具有更高的強(qiáng)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(qiáng)增韌機(jī)理 


圖3. 傳感器的傳感性能


  這種嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將離子凝膠分隔為彼此獨(dú)立且絕緣的單元,消除了器件之間離子遷移產(chǎn)生的串?dāng)_,串?dāng)_的大小由35%降至0.02%。此外,團(tuán)隊(duì)和騰訊合作,在電路和算法上都加入了抑制串?dāng)_的設(shè)計(jì),消除了信號(hào)采集過(guò)程中因同行/列器件共用電極帶來(lái)的串?dāng)_。 


圖4. 串?dāng)_消除及信號(hào)采集原理


  這種電子皮膚能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的力反饋和識(shí)別功能。研究團(tuán)隊(duì)將該電子皮膚用于機(jī)器人觸覺(jué)的示范,展示了其良好的力學(xué)穩(wěn)定性,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了靈巧手對(duì)不同抓取物體的識(shí)別。研究團(tuán)隊(duì)用貼附了這種電子皮膚的靈巧手去抓取不同的物體,通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí),最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)99.5%的識(shí)別準(zhǔn)確率。該研究為人工假肢、仿人機(jī)器人的觸覺(jué)提供了一種非常有價(jià)值的技術(shù)。 


圖5. 觸覺(jué)傳感陣列在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用


  南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系2020級(jí)博士生石君利為論文第一作者,騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室戴媛博士、南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系2020級(jí)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(xué)為論文第一單位。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、深圳市科創(chuàng)委以及騰訊犀牛鳥(niǎo)項(xiàng)目的支持。


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

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