仿指纹式的多功能电子皮肤

【引言】： 皮肤作为覆盖人体最大的器官，在保护人体的同时，其内部的庞大的传感网络，可以实时进行压力，温度等多种物理信号的检测，是人体与外界交互最重要的方式之一。电子皮肤通过模拟人类皮肤的物理特性和传感功能，在可穿戴设备、生物医疗以及机器人领域有着广阔的应用前景，日益受到各界人士的广泛重视。在有限的空间集成更多的功能，成为该领域急需解决的关键问题。

【成果简介】：近日，本人所带领的Alice Wonderlab研究小组在材料能源类重要期刊Nano Energy上发表题为“Fingertip-inspired electronic skin based on triboelectric slidingsensing and porous Piezoresistive pressure detection”的研究进展。博士研究生陈号天同学为论文第一作者。

课题组以人类指纹结构为突破口，通过研究皮肤传感的生理机制及手指的生理结构，创新式地将摩擦式动态传感与压阻式静态传感相结合，设计了一种新型基于指纹结构的多功能电子皮肤。指纹结构的双螺旋电极的摩擦发电机用于检测滑动信号，通过摩擦电压的输出频率检测滑动物体的粗糙度，首次提出了数字式摩擦检测的方案。真皮结构的多孔CNT-PDMS用于检测静态压力，通过接触电阻的变化检测压力大小，合理调控纳米导电网络及多孔率可以使灵敏度的大幅提升。该电子皮肤集成动态滑动检测和静态压力检测，使得机器人在智能控制领域实现更复杂的操作功能。

【图文导读】

图一：仿指纹电子皮肤结构示意

(a) 人体皮肤结构与电子皮肤结构对比；(b) 指纹状双电极摩擦发电机结构及工作原理示意；(c) 真皮状多孔传感器结构及工作原理示意。

图二：摩擦传感部分的工作原理

(a) 在工作过程中电荷的转移路径示意；(b) 三维有限元仿真反应电势分布；(c) 仿真结果与工作原理对应。

图三：影响摩擦传感的关键参数

(a)-(c) 仿真结果(a)及测试结果(b, c)反映间隔数目对输出的影响；(d)-(f) 仿真结果(d)及测试结果(e, f)反映间隔大小对输出的影响；(g)-(i) 仿真结果(g)及测试结果(h, i)反映电极螺旋数目对输出的影响。

图四：多孔CNT—PDMS的压阻特性

(a)-(c) 不同多孔率(1:2,1:3, 1:4)的样品的SEM照片；(d)(e) 理想六边形模型用于分析多孔材料压缩过程；

(f) 多孔材料的应力-应变曲线；(g) 不同CNT浓度不同多孔率的样品的初始电阻比较；(h) CNT浓度相同下，多孔率对压阻特性的影响；(i) 多孔率相同下，CNT浓度对压阻特性的影响。

图五：多功能电子皮肤应用展示

(a)-(c) 多功能电子皮肤用于检测不同粗糙度材料；(d)-(f) 多功能电子皮肤用于检测相同材料不同方向；(g) 多功能电子皮肤用于执行抓握-放松-抓握任务功能检测。

【总结】：本文以人类指纹结构为突破口，以人体皮肤传感机制及结构为启发，创新设计一种同时可以检测滑动和压力的多功能电子皮肤。通过摩擦传感原理，实现数字化的动态滑动检测；通过多孔材料的压阻特性，控制纳米导电通路及多孔率，实现压阻传感灵敏度的大幅提升。通过集成滑动检测和压力检测，体现了该多功能电子皮肤在执行复杂任务的强大能力，显示了其在机器人传感领域的巨大潜力。

【文章链接】：

Fingertip-Inspired electronic skinbased on triboelectric sliding sensing and porous piezoresistive pressure detection  (Nano Energy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.001)

全文下载：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517304706

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