西安交大在電子皮膚領域取得新進展

2020-09-27 麥姆斯諮詢

電子皮膚在假肢、機器人技術和人工智慧等新興領域引起了廣泛關注。作為電子皮膚的關鍵部分，開發具有慢適應I型（SA‑I）機械感受器特性的柔性壓力傳感器至關重要，這不僅需要傳感器在小壓力範圍（小於10 kPa）探測微小靜態壓力變化，而且要確保在中等壓力範圍（10~100 kPa）對靜態壓力可精確穩定地進行控制，以完成日常的操縱性任務。目前，研發兼具寬壓力範圍、快速響應時間、線性和低滯回壓力響應的靈敏且穩定的柔性壓力傳感器仍具有挑戰。



近日，西安交通大學李盛濤教授課題組聯合美國加州大學洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）課題組報導了基於具有微金字塔結構的PDMS/CNT（聚二甲基矽氧烷/碳納米管）導電複合材料高性能柔性電阻式壓力傳感器簡單直接的設計方法。基於傳感器的工作機理，從電路模型（路）和有限元數值仿真（場）兩方面，揭示了與以往的設計——微金字塔表面塗覆很薄的導電層相比，該設計方法可提供更寬的壓力量程和更高的靈敏度。結合數值仿真和實驗結果揭示了傳感器的壓力響應取決於其間距與基底長度之比，而不僅僅依賴於間距，且當間距與基底長度為1:1時，可獲得優異的綜合性能以模擬SA-I機械感受器，該優化設計比例的壓力傳感器可在小壓力範圍和中等壓力範圍下提供高靈敏度、快速響應時間、高力學穩定性、低工作電壓和低功耗，高線性度和低滯回以及微米尺度高度均一的優異綜合性能。基於該優化設計比例的傳感器，構建了可實時地將幅值信號轉化為頻率信號且進行無線傳輸的壓力傳感系統，以及可實時進行空間分辨的壓力傳感陣列平臺。此外，鑑於微金字塔結構的廣泛應用，基於導電複合材料的微金字塔結構也可被集成到電容式、電晶體式、摩擦電式等其他類型的傳感器以獲取高的機械穩定性。


該研究成果以「Robust Flexible Pressure Sensors Made from Conductive Micropyramids for Manipulation Tasks」（基於導電微金字塔結構用於操作性任務的穩健柔性壓力傳感器）為題在國際著名期刊ACS NANO（美國化學學會納米，IF = 14.588）在線發表。論文的第一作者為西安交通大學電氣工程學院博士生馬超，通訊作者為西安交大電氣工程學院李盛濤教授，以及美國加州大學洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）。


論文連結：

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03659


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