Advanced Materials：可拉伸摩擦電-光智能皮膚用於觸覺和手勢感測

【引言】

智能皮膚作為仿生機器人與外部環境之間的媒介，需要具備可拉伸性和觸覺感測特性，以及測量多種外部機械刺激的能力。近年來，已有多種基於壓力感測器的智能皮膚被開發應用於觸覺感測，但由於缺少可拉伸性和橫向拉伸感測的特性，大大限制了這些人造智能皮膚的功能和應用。此外，一些動物皮膚可以通過改變顏色和發光強度進行交流和偽裝，所以具備可調節的光學特性對於智能皮膚也具有重要的意義。

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所張弛研究員和王中林院士領導的科研團隊研發了一種可拉伸的摩擦電-光智能皮膚（STPS），它能為機械手提供多維度的觸覺和手勢感測。STPS基於仿生皮膚褶皺的光柵結構薄膜，可以在不同的橫向拉伸應變下表現出可調的聚集誘導發光（AIE）。同時，也可以作為摩擦納米發電機（TENG），將開路電壓用於縱向壓力感測，並且在不同的拉伸條件下壓力感測特性保持穩定。通過將STPS集成在機械手上作為共形的覆蓋層，STPS表現出了多維度的觸覺感測和手勢翻譯特性。這種耦合了摩擦電與光激發的多功能感測終端，將在人機交互、軟體機器人和人工智慧等領域有著廣泛的應用前景。該研究成果以題為Stretchable Triboelectric–Photonic Smart Skin for Tactile and Gesture Sensing在Advanced Materials進行發表（DOI：10.1002/adma.201800066）。

【圖文導讀】

圖1 可拉伸摩擦電-光智能皮膚（STPS）的概觀圖

（a）STPS的製備流程圖

（b）STPS的結構圖

（c）STPS用於機械手的示意圖

（d）AIE複合物的化學結構圖

（e）AIE複合物在不同濃度THF-水溶液中的光致發光（PL）光譜

（f）固態AIE複合物的PL光譜

圖2 STPS用於橫向拉伸應變感測的可調PL特性

（a）STPS基於光柵結構金屬薄膜的可調PL原理

（b）在365 nm紫外光照射下，不同拉伸應變狀態STPS的發光圖

（c）不同拉伸應變下光柵結構金屬薄膜的光學顯微鏡圖

（d）光柵結構金屬薄膜的裂紋寬度隨拉伸應變的變化關係

（e）不同拉伸應變下STPS的PL光譜

（f）510 nm處的峰值強度隨拉伸應變的變化關係

（g）STPS用於橫向拉伸應變感測的穩定性和耐久性測試

圖3 STPS用於縱向壓力感測的電壓特性

（a）STPS作為TENG的工作原理示意圖

（b）不同接觸壓力下STPS的開路電壓峰形

（c）STPS的開路電壓隨接觸壓力的變化關係

（d）不同拉伸應變下STPS的開路電壓隨接觸壓力的變化關係

（e）STPS用於縱向壓力感測的穩定性和耐久性測試

圖4 STPS集成於機械手的感測特性

（a）集成在機械手食指上STPS的實物圖以及不同關節彎曲時的發光圖

（b）不同彎曲狀態下三個關節處光電流的變化以及同步的由觸摸引起的開路電壓的變化

（c）手勢「OK」的三維PL強度圖

（d）不同觸摸狀態下STPS的開路電壓

【小結】

本文提出了一種可拉伸摩擦電-光智能皮膚。該智能皮膚可以通過應變調控的光致發光強度來感測橫向拉伸應變，同時也可以作為摩擦納米發電機，利用電壓信號來感測縱向壓力，並且在不同的拉伸應變下縱向壓力感測的特性保持不變。該智能皮膚作為一個共形的覆蓋層集成在機械手上，可表現出對不同外部機械刺激以及不同手勢的多維度感測。這項工作首次實現了摩擦電和光激發耦合的多功能感測終端，在人機交互、軟體機器人和人工智慧領域具有重要的應用前景。

文獻鏈接：Stretchable Triboelectric–Photonic Smart Skin for Tactile and Gesture Sensing（Adv. Mater, 2018, DOI: 10.1002/adma.201800066）http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201800066/full

本文由材料人電子電工學術組李小依【李文健】供稿，材料牛整理編輯。

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