基于碳材料的3D打印柔性觸覺傳感器件研究新進展

　　近日，中國科學院上海高等研究院研究員曾祥瓊帶領的團隊，在基于碳材料的3D打印柔性觸覺傳感器件研究中取得重要進展。相關研究成果以A Highly Sensitive Flexible Tactile Sensor Mimicking The Microstructure Perception Behavior of Human Skin為題，發表ACS Applied Materials & Interfaces上。

　　電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激（壓力、溫度、濕度）的新型電子器件。電子皮膚因在智能機器人、健康監測、可穿戴設備和人機交互方面具有廣闊的應用前景而備受矚目。在電子皮膚的各種感知功能中，觸覺感知功能尤為重要。

　　在此背景下，研究團隊通過模擬人體皮膚的結構和傳感機制，創造性地將聚二甲基硅氧烷（PDMS）微球與石墨烯相結合，設計了一種具有指紋微結構的新型多功能電子皮膚；提出了一種石墨烯-PDMS微球油墨3D打印制備柔性傳感器的方法。圖1（a）（b）所示的是打印原理，研究人員利用乳化的方法制備了PDMS微球，并利用未交聯的PDMS-石墨烯混合溶液對PDMS微球形成包覆；制備的石墨烯-PDMS微球油墨可以通過噴頭擠出形成三維立體結構，并通過熱固化成型。

　　傳感性能研究發現，所構建的電子皮膚傳感器不僅對壓力具有靈敏響應，而且能有效反饋摩擦力的大小；利用傳感器這一特性可以區分出具有不同微米級粗糙度的表面，從而實現對物體表面的微觀形貌、硬度等信息的有效區分和識別（圖2）。通過風載實驗，進一步驗證了所構建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器對氣體等流體也具有有效的響應。這表明所構建的石墨烯-PDMS微球觸覺傳感器可用于對不同粗糙度表面的檢測，也可用于氣流監測、聲音檢測等。該研究為可穿戴式傳感提供了新途徑，并為電子皮膚的發展提供了新思路。

　　研究工作得到上海市自然科學基金項目的資助。

圖1.觸覺傳感器設計原理及3D打印流程。（a）PDMS-石墨烯復合油墨的制備流程示意圖；（b）傳感器靈敏層3D打印示意圖；（c）通過處理觸覺信號區分不同粗糙度表面的示意圖

圖2.（a）激光加工表面S1、S2、S3和S4的3D形貌；（b）激光加工表面S1、S2、S3和S4的平均粗糙度（Sa）；（c）人體手指對不同粗糙度表面的觸覺反應實驗示意圖；（d）手指與不同表面作用下的平均摩擦系數；（e）實驗裝置示意圖；（f）在1N的壓力載荷作用下，在不同表面粗糙度的激光加工表面滑動時的摩擦力曲線；（g）摩擦力作用下傳感器的電阻變化