基於凝膠的人造光子皮膚觸覺傳感器

2020-08-31 柔智燴

基於凝膠的人造光子皮膚觸覺傳感技術

人造光子皮膚（p-skin）作為一種不尋常的觸覺傳感技術，受到應用光譜學快速發展的技術支持和先進光子通信需求的推動。這種柔性人造電子皮膚比電氣/磁性裝置更不易受環境影響的影響，具有很高的穩定性。

目前大多數已經報導的光子壓力傳感器在低壓力下（<10kPa）表現出低靈敏度、慢修復能力、高滯後性、低柔性和低可塑性。這與天然皮膚相比還有很大差距。

一些常用於柔性電子皮膚的軟材料，比如聚二甲基矽氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），光子反饋都不能滿足柔性p-skin的要求。

近年來，一種具有三維光子晶體結構（3DPC結構）的軟材料開始被廣泛研究並應用於各種傳感器中。

簡單來說，3DPC材料具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其它波長的光通過其中。這種材料在稱為光子帶隙（PBG）的特定頻率範圍內表現出顯著的反射，其周期性的變化有助於反射峰的位置和強度的變化。憑藉獨特的光子特性，基於3DPC的p-skin可以在輕柔觸摸的情況下實現卓越的光子反饋。

不足的地方在於，大多數3DPC材料的製造需要複雜的機械或精細操作，例如光刻、電子束蝕刻、接雷射寫入技術等。其有限的化學/物理穩定性不適合用於微結構軟材料中。

廈門大學、復旦大學、荷蘭代爾夫特理工大學、新加坡國立大學等多個團隊合作研究，在之前先進的柔軟材料的基礎上，報告了一種簡單、溫和、經濟的策略，實現靈活溫柔的p-skin觸覺感應。

傳感器製造過程的示意圖

先通過麥可加成反應合成基於角蛋白的凝膠；再將角蛋白溶液滴鑄在複雜/不平坦的表面，隨後變成具有高彈性、大壓縮模量和低應力鬆弛的穩定的凝膠。最後將單分散膠體乳液滴在凝膠上，得到3DPC塗覆的凝膠材料。

憑藉3DPC材料獨特的光子特性和角蛋白凝膠的卓越機械性能，這種3DPC塗層凝膠p-skin對各種壓力狀態表現出簡單、快速和靈敏的光子響應。

膠體在凝膠表面上以緊密排列的陣列發生自組裝。當施加壓力時，膠體可快速響應角蛋白凝膠中的微小變形。

智能p-skin是開發刺激響應型軟材料的合適平臺，可用於未來的機器人、假肢、人工智慧和健康監測系統。

相關文章已發表在ACS Applied Materials & Interfaces上：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/full/10.1021/acsami.9b01649

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