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多功能感知的新型柔性电子皮肤

柔性电子皮肤在医疗健康、智能机器人等领域有着广阔的应用前景,是当今重要前沿研究方向之一。人体皮肤是非常精巧的传感系统,能够感知外界多重刺激并传递给神经系统,进而产生相应的生理反应,完成人类与环境的交互。近年来,随着柔性电子学和仿生学的发展,具有不同工作原理的超高灵敏度柔性压力传感器和柔性温度传感器被研发出来,用于模拟人体皮肤对外界力和热刺激的感知能力。然而,人体皮肤还具有更为细腻的感知功能,比如人体皮肤能够感知风场,能够对物质(比如金属和木头)产生不同的冷热感觉,这些感知丰富了人类的情感认知。而现有的柔性电子皮肤功能集成度却非常有限,此外,利用简单工艺实现低成本、大面积、高密度集成也是电子皮肤走向实用所面临的巨大挑战。

多功能感知的新型柔性电子皮肤

近日,清华大学精密仪器系朱荣研究团队首次提出以多孔弹性介质为基的力-热转换机制实现压力/应力的感知。如图所示,通过多孔弹性膜将外界压力转换为导热信息,藉此将压力、温度、风场、物性参数均转换成了热效应,由薄膜热敏电阻检测,这种传感方式具有敏感结构简单、灵敏度高、响应快、迟滞小的特点,且传感量程和灵敏度通过电热控制方便可调,可以在柔性基底上制备柔性传感器。由于敏感结构和检测原理在感测压力、温度、风场、接触物上的统一,因此可以巧妙地将压力传感阵列、温度传感阵列、流场/物质传感阵列等结构集成在单片柔性基底上,实现集触感、温感、风感、附着物感等功能为一体的多维感知柔性电子皮肤,模拟出人体皮肤上的多模感知传感器,并且具有成本低、集成度高、易大面积制备的特点。

这种基于热感应的多参数传感机制,使得电子皮肤既能集成多种感知功能,又不至于增加系统复杂度,为电子皮肤的功能扩展和高密度集成提供了新方法。这种电子皮肤可以与柔性印刷电路相结合,便于实现大面积、低成本制造,在医疗健康和智能机器人领域具有广泛的应用前景。

这项研究成果以封面文章Front Cover的形式发表在Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201606151)上,第一作者为清华大学精密仪器系博士生赵帅,通讯作者为清华大学精密仪器系朱荣教授。

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