具有高靈敏度和高空間解析度的經濟高效的柔性超電容式觸覺傳感器,用於人機互動

具有高靈敏度和高空間解析度的經濟高效的柔性超電容式觸覺傳感器，用於人機互動

 

關鍵詞：柔性電子，觸覺傳感器，人機互動，機器人電子皮膚

 

觸覺感測對於可穿戴設備，服務機器人和醫療保健機器人領域中人機互動的安全性，準確性和魯棒性至關重要。儘管已經做出了很多努力，但是基於簡單的結構和容易的製造，開發具有優異的靈敏度，寬的測量範圍，高空間解析度和低成本的功能性和可靠的柔性觸覺傳感器仍然需要大量的工作。

 

在此，本文介紹了一種性能卓越且平衡的柔性超電容式觸覺傳感器。觸覺傳感器包含兩層柔性電極和一層離子凝膠塗覆的微纖維基質，以形成超電容傳感結構。柔性電極和離子型超細纖維基質採用可擴展技術進行處理，例如絲網印刷和凝膠塗覆，保證了超柔韌性和低製造成本。實驗數據表明，壓力-電容關係具有很強的線性關係，靈敏度高。

觸覺傳感器的動態響應可以準確反映人手指敲擊和機器按壓所施加的壓力循環。觸覺傳感器可以以較高的空間解析度與特別設計的電路連接時。從亞毫米到大面積的空間解析度，使其在從手指觸摸到身體接觸的人機互動中的各種傳感應用中很有希望。這項研究中開發的觸覺傳感器具有卓越的適用性和通用性，使其成為使機器人技術，柔性電子產品和生物工程設備的各種應用受益的值得信賴的候選人。

 

 

 

隨著機器人技術和人工智慧的飛速發展，學術界和工業界都渴望能夠感知人類意圖並在各種環境中提供身體幫助的創新可穿戴設備，服務機器人和醫療機器人。為此目的，視覺和音頻傳感器已在該領域中得到廣泛應用。但是，視覺或聽覺幾乎無法描述人機互動過程中物理接觸的所有信息細節。在這些情況下，觸覺感官具有重要意義，有時是不可替代的途徑，對於智慧機器人來說，它能感覺到接觸，識別人的意圖並獲取周圍的環境信息。對於人機互動機器人系統，柔性觸覺傳感器對於獲取必要的觸覺信息至關重要，以確保通過物理接觸獲得的操作安全性和舒適性。

 

因此，創新和可靠的柔性觸覺傳感系統的發展不僅在柔性電子學領域備受關注，而且對於人機互動研究也具有根本的重要性。基於壓阻，壓電，場效應電晶體的工作原理，各種柔性觸覺傳感器，已被廣泛研究，其中許多具有優越的性能參數。但是，它們很少被應用於人機互動系統來解決實際問題。主要原因是，觸覺傳感系統的實際應用需要優越且平衡的組合屬性，而不是在不將傳感系統視為功能統一的情況下，在單一規格參數方面的卓越表現。

 

首先，成本效率應被視為與其他關鍵性能參數同等重要，例如靈敏度，空間解析度和有效測量面積。用微細加工或靜電紡絲製造的某些觸覺傳感器可以獲得極高的壓力靈敏度或空間解析度。但是，如果在傳感器的大規模生產中採用這些材料和製造協議，則成本會更高。應優先考慮採用常用製造技術的創新性功能材料。

 

其次，將觸覺傳感器應用於人機互動系統需要廣泛的測量範圍和固有的靈活性。對於接觸舒適性和安全性非常重要的觸覺傳感器而言，固有的靈活性是其最終目標之一。具有廣泛測量範圍的傳感器可能潛在地擴大了潛在的應用領域，並減少了針對不同範圍購買傳感器的用戶費用。寬的測量範圍和高的靈活性都需要創新的材料製造和設備組裝方法。

 

此外，特別是對於電容式觸覺傳感器，需要進一步提高抗幹擾能力。電容式觸覺傳感器非常靈敏，相對容易形成具有高空間解析度的陣列。然而，由於由靜電荷累積機制引起的小電容，具有高空間解析度的常規平行板電容傳感器容易受到環境幹擾和電容耦合效應的影響。

因此，在追求卓越的性能特徵的同時，還要兼顧靈活性，空間解析度，測量範圍，成本和製造複雜性，還有很多工作要做。

 

在此，面對上述問題和挑戰，本文介紹了一種新型的柔性超電容式觸覺傳感器。觸覺傳感器採用了超電容傳感單元，從而確保了超高的靈敏度，高抗幹擾能力和堅固性。通用和可擴展的製造技術（例如絲網印刷和凝膠塗層）用於製造和組裝傳感器，從而進一步提高了材料的均勻性以及傳感器的性能。基於銀納米粒子的柔性導電電極和基於離子凝膠的微纖維基質，是構成超薄且柔性的觸覺傳感器的主要材料，× 20，逐列，電容式感應單元）。繪製了不同測試條件下的壓力分布圖，以證明這項工作的適用性和普遍性。所開發的觸覺傳感器可能會在各種需要人機互動的場景中受益，例如服務機器人，醫療機器人和可穿戴設備。

 

1、結構與工作原理

柔性觸覺傳感器由三層組成，頂部和底部電極層以及中間的離子凝膠塗層微纖維基質，如圖1所示。如圖1（c）所示，通過將基於銀納米顆粒的導電油墨絲網印刷到柔性聚氨酯（PU）膜上來製造頂部和底部微電極層。離子基質的中間層是通過將離子凝膠（H 3 PO 4 -PVA）塗覆到超細纖維片（聚丙烯或非織造織物，厚度：〜0.24至〜0.72 mm，取決於層數）而製成的，請參見多個補充文件中）中，如圖圖1（d） 。如圖1（e）所示，頂層和底層以交叉圖案組裝，以將離子基質夾在中間，從而形成超級電容單元。柔性電極與離子微纖維基質之間的直接接觸導致在接觸界面處形成靜電雙層電容器（EDLC，一種超級電容器）。

圖1，柔性超電容式觸覺傳感器（a）和（b）觸覺傳感器示意圖。（c）絲網印刷電極的顯微照片。（d）離子凝膠塗覆的微纖維基質的顯微照片。（c）組裝的觸覺傳感器，其空間解析度小於毫米。

 

圖2，超級電容式觸覺傳感器的工作原理（a）和（b）在觸覺傳感器變形期間EDLC的變化。（c）EDLC傳感器的模擬電路。（d）電阻之間的關係[R 和施加的壓力 p ，可以將其擬合為雙曲線函數格式。它進一步表明p和1 /之間存在線性ish關係。[R 。（e）總電容之間的線性關係C 和電阻的倒數 [R 與曲線擬合。

 

對於超電容式觸覺傳感器，接觸面積 一種 主要的影響參數是撓性電極與形成靜電雙層的離子凝膠微纖維之間的相互影響，如圖2所示。當在柔性傳感器上施加壓力時，離子基質的中間層被壓縮以增加電極與離子凝膠微纖維之間的界面面積，以及纖維膜內的內部接觸。結果，如圖2（a）和2（b）所示，電容在外部壓力下增加。

 

2、材料和製作

柔性觸覺傳感器由三層超薄膜材料組成：兩層柔性電極和一層離子微纖維基質，它們使用絲網印刷和凝膠塗層等可擴展技術，通過簡單的協議進行製造。

 

A.絲網印刷的柔性微電極

柔性和導電電極的製造已得到廣泛研究，並且已經開發出各種方法。其中，絲網印刷是在柔性基板上最成熟的常規印刷技術。而且，在柔性觸覺傳感器的製造中，基本工作通常是在設備的靈活性，靈敏度，空間解析度，測量範圍和成本效率之間取得平衡，而不是僅追求一個或幾個吸引人的參數。頂部和底部電極均使用基於銀納米粒子的導電油墨絲網印刷在柔性聚氨酯基材上（銀導電油墨，XTGO-2，德陽碳烯，中國）。在組裝期間，電極交叉布局以將離子微纖維基質夾在中間，以形成EDLC壓力傳感單元陣列。

 

圖,3，手動絲網印刷的微電極。（a）和（b）使用0.1毫米厚的PU膜製成的電極。（c）和（d）使用0.03毫米厚的PU膜製成的電極。（e）電極部分和連接部分。（f）顯微鏡觀察印刷電極。（g）在重複180°的裝置彎曲500次之後，印刷的微電極的電導率測量。

 

通過絲網印刷工藝，可以將最大空間解析度優化為0.03 mm至0.1mm 。考慮到人機互動應用中觸覺傳感的實際需求，本研究中交叉電極的空間解析度設置在亞毫米範圍內。圖3展示了經過反覆的器件彎曲測試後印刷的柔性微電極和電導率的測量結果。圖3（a）和3（b）圖3（c）和3（d）展示了使用0.1毫米厚的PU基板的手動印刷電極的卓越靈活性，並且相同的協議對於0.03毫米超薄的基板也是可行的。在每個印刷電極中，有兩個部分，電極部分和連接部分。電極部分將與離子微纖維基質接觸以形成EDLC，連接部分將連接外圍測量電子電路。

在圖3中，所示的微電極的尺寸（電極寬度-空間）為0.5mm-0.5mm 。圖3（f）這是對電極的微觀觀察，表明銀-NP油墨已很好地塗覆在PU基材上。使用組裝的觸覺傳感器的重複彎曲實驗來測試電極製造的魯棒性，並且數據繪製在圖3（g）中。不同的實驗人員手動進行彎曲測試，在此期間最小半徑曲率約為5毫米至10毫米（請參閱補充文件中的詳細信息）。圖3（g）繪製了組裝好的傳感器的彎曲測試過程中製成的銀墨電極的電導率變化，測量數據證明，儘管電阻稍微增加並且存在偏差，但柔性微電極在180°器件彎曲500次後仍具有魯棒性。當絲網印刷機取代手動操作並且優化了印刷方案的參數時，可以期待更高的魯棒性和均勻性（請參閱補充文檔中的更多內容）。絲網印刷單個過程的有效面積約為600毫米×400毫米。測量區域可能大於400毫米× 400 如果考慮連接器部件，則在本研究中為mm（無拼接）。

 

B.凝膠塗層離子超細纖維基質

與傳統的電容式傳感器相比，本文中的柔性觸覺傳感器的主要優點是EDLC傳感單元的高電容。凝膠塗覆的離子微纖維基質的製造對於實現每個EDLC傳感單元的柔性和均勻接觸界面具有重要意義。為了相似的目的，已經開發出不同的策略來製造基於離子凝膠的織物結構，但是這些協議需要昂貴但低通量的設備或昂貴的離子凝膠溶液。在本文中，測試了一個簡單但有用的離子微纖維基質製造方案，以提高成本和時間效率，如圖4所示。。聚丙烯纖維膜（稱為無紡布）塗有離子凝膠，可以用作傳感器中的離子微纖維基質。離子基質在施加的壓力載荷下變形，因此電極離子基質的接觸面積增加，這直接導致傳感單元電容的變化。

圖4，離子凝膠塗覆的微纖維基質的製備。（a）至（c）協議示意圖。（d）至（f）未塗覆的微纖維片，塗覆的微纖維片的單層和雙層。在表徵中，僅使用單層離子微纖維膜來組裝傳感器。

 

清潔聚丙烯纖維片材（8g / m 2或另外提及），並將其浸入液體H 3 PO 4 -PVA（5％w / w）的離子凝膠溶液中以潤溼並塗覆微纖維。乾燥後，將塗覆的片切成小塊以組裝觸覺傳感器。如圖4（d）至4（f）所示，分別在顯微鏡下觀察未塗覆的和塗覆的（單層和雙層）微纖維片。顯然，根據圖示插圖可以區分未塗覆的和塗覆的微纖維膜（單層）之間的差異。固化的離子凝膠塗層，作為微纖維周圍的透明層，可以在圖4（e）中觀察到，並且如圖4（f）所示，並且微纖維的均勻性可以保證在界面處EDLC形成的一致性。在性能表徵過程中，觸覺傳感器僅使用具有單層離子微纖維的膜。

 

3、表徵

為了驗證工作原理並表徵開發的觸覺傳感器在靜態和動態壓力載荷下的性能，如上所述，製造並組裝了測試原型。將兩層絲網印刷的柔性電極布置為頂部和底部電極，並且將離子凝膠塗覆的微纖維基質夾在中間。使用壓機施加壓力（壓頭為10 mm× 10 ，ZQ-21B-1，中國直屈），傳感器的電容是使用LCR測量儀（LCR-6300，GW Instek，中國）測量的。

 

動態壓力下的響應

超電容式觸覺傳感器的動態特性如圖5所示。壓力加載周期已應用於傳感器，以單獨使用壓力機或人的手指來測試動態響應。如圖5（b）和6（c）所示，觸覺傳感器的響應在使用壓力機或人的手指作為壓力負載周期的來源之間是不同的。兩個壓力周期均為約0.25 Hz，但是與使用人的手指的數據曲線相比，使用壓力機的信號響應數據曲線更清晰。假設使用人的手指作為壓力負載時電容的逐漸變化是傳感器材料和人體皮膚的粘彈性行為的結果。觸覺傳感器和人手指的粘性成分都產生了對接觸壓力的非線性響應，這進一步導致機械變形以及電容變化的延遲（或逐漸變化），如圖1所示。圖5（c）。圖5（d）至5（f）是使用人的手指作為觸覺傳感器的周期性壓力負載（具有不同的負載頻率）的實驗數據。觸覺傳感器可以使用手指很好地反映施加的壓力變化。計算後，手動壓力循環的頻率為〜0.25 Hz，〜2 Hz，〜4 Hz和〜7 Hz（在重複敲擊測試數據中選擇典型測試）。柔性觸覺傳感器的粘彈性效應正在進一步研究中。在使用壓力機的測試中發現了信號噪聲，這被認為是由於測試頭與傳感器接觸期間的振動所致。在手指敲擊測試中沒有觀察到噪音，因為人手指的粘彈性過濾了接觸過程中的可觀察到的振動（請參閱補充文件中的詳細信息）。

圖5，超電容式觸覺傳感器的動態特性（a）壓力機或人工手指的壓力負載示意圖。（b）至（f）使用不同壓力負載周期的觸覺傳感器的動態響應。數據是使用傳感器陣列（在1毫米寬的電極和20 × 20 電容式感應單元）。

圖6，使用不同的觸覺傳感器進行壓力分布測試。（a）至（c）使用具有高空間解析度的觸覺傳感器（在1毫米寬的電極之間間隔1毫米，20 × 20 電容式感應單元）。（d）至（i）使用具有較大測量面積的觸覺傳感器（5毫米寬的電極之間5毫米的間距和20 × 20 感應單元）。測試中使用的測量電路在補充文件中進行了演示。

 

為了進一步證明該作品的適用性和普遍性，如圖6所示，製造並測試了具有不同空間解析度和測量區域的觸覺傳感器。圖6（a）至圖6（c）是具有高空間解析度（2個單位/ mm 2）的觸覺傳感器在不同壓力負載（例如施加在單個點，線或圓上的力）下的實驗結果。。繪製的電容變化數據可以很好地反映壓力負荷的幅度和空間分布。圖6（d）至6（i）展示了使用具有較大可測量面積（2個單位/ 100 mm 2）在不同類型的壓力負載下。使用開發的傳感系統可以很好地觀察到所有施加的壓力負載，這驗證了柔性觸覺傳感器的實用性和應用多功能性。特別，圖6（i）圖中顯示了將大面積的觸覺傳感器包裹到UR機器人（UR3，丹麥的Universal Robots，丹麥），並使用開發的傳感系統繪製手部壓力時的現場測試數據。它推斷出該靈活的系統在實際的人機互動應用中將具有完整的功能和強大的功能。如圖所示，在測試過程中也觀察到噪音。多種因素會導致幹擾或壓力不均勻，例如在施加力時的手動因素，電極之間的耦合電容，環境幹擾等。這些可以通過進一步研究中的測量電路改進和結構參數優化來解決，但如數據所示，它們對壓力分布觀測的影響有限。

 

4、結論

介紹了一種新型的人機互動柔性超電容式觸覺傳感器。與以前報導的傳感器相比，它具有各種優勢，例如高空間解析度，寬測量範圍，低成本，簡單製造和線性特性，如下表所示。

表1：超 電容式觸覺傳感器之間的比較

 

該傳感器具有簡單的結構，包括兩層柔性電極和一層離子微纖維膜，可在接觸界面處形成靜電雙層電容器（EDLC）。在外部壓力負載下，傳感器單元的電容在彈性變形過程中會發生變化。遵循簡單的規程，柔性電極和離子凝膠塗層微纖維基質的製造既節省成本又節省時間，從而擴大了潛在的應用領域。靜態壓力的特性表明電容變化與施加的壓力負載之間存在穩健的線性關係。通過調整結構參數（例如離子膜的厚度），可實現高壓敏感度（135.9 nF⋅ 千帕− 1⋅ cm 2或27.11 kPa -1）和較寬的壓力測量範圍（從0 kPa至1200 kPa）進行了說明。來自衝壓機和人手指敲擊的動態壓力循環已用於測試動態響應。根據實驗數據，觸覺傳感器可以很好地反映壓力循環。此外，已經使用不同類型的觸覺傳感器來測量壓力負載類型下的空間壓力分布。

 

它展示了可以滿足人機互動應用的觸覺傳感器的高空間解析度和大測量面積的適用性。開發的柔性壓力傳感器具有卓越的靈敏度，高空間解析度，低成本，簡單的製造和線性特性，這擴大了對機器人觸覺感應的普遍使用範圍，並表明了在各種應用領域的良好候選資格。諸如超高空間解析度，傳感魯棒性，可擴展的製造和組裝等進一步的研究正在進行中。儘管如此，傳感器靈敏度，最大測量範圍和傳感區域之間的折衷關係的優化也是未來研究的重要內容。

 

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