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1研究背景
在智能可穿戴设备和人机交互领域，柔性和可伸缩的触觉传感器因其在模拟人类触觉、健康监测和机器人技术中的潜在应用而受到广泛关注。然而，这些传感器在弯曲或拉伸过程中，由于功能材料的变形和结构-活性关系波动，其准确性和可靠性常常受到影响。特别是在与变形界面接触时，传感器因接触表面拉伸而产生的应变会导致电信号的异常变化，严重降低了其可靠性，并限制了实际应用。因此，开发能够减轻应变对触觉传感性能影响的可伸缩摩擦电触觉传感器对于确保在软界面上的稳定传感至关重要。传统的压力传感原理在材料和结构方面已接近极限。摩擦电传感技术因其高灵敏度、材料范围广泛和高动态响应而成为制造高性能触觉传感器的新途径。为了克服这些挑战，研究人员探索了多种制造方法，包括使用硅胶弹性体和纳米纤维作为摩擦电层，以及液态金属、水凝胶和银纳米线等作为传感电极的可伸缩导电材料。在结构设计方面，他们采用了蛇形或螺旋曲线结构的导电路径，并利用剪纸或表面皱纹工程构建摩擦电层或可伸缩基底。尽管如此，这些研究在拉伸下的准确传感方面仍存在困难，且在未拉伸状态下无法校准，因为传感材料和设备结构的不可预测变化。
2成果简介
在这项研究中，研究人员开发了一种高度应变不敏感的可伸缩摩擦电触觉传感器（SS-TTS），通过界面应力分散策略实现了这一目标。通过将软硬材料与界面圆形结构（ICS）集成，集中的界面应力被诱导分散到软基底上，有效抑制了拉伸过程中传感区域的应变。当使用最优几何参数的ICS（n=10, d = 6.0 mm）时，传感器在0~70%的可拉伸范围内展现出极高的应变不敏感性（98%），并且压力范围广泛，高达150 kPa。此外，SS-TTS被无缝集成到可穿戴的手腕带中，用于精确监测脉搏信号，不受人体手腕大小的影响，展示了其在个性化健康监测应用中的潜力。研究人员还构建了一个3×3的摩擦电传感器阵列，作为应变不敏感的可伸缩触摸面板，用于触觉成像和轨迹识别，进一步扩展了传感器的多功能性。这项工作为未来设计适用于可变形条件下智能传感应用的可伸缩电子设备铺平了道路。3图文导读
图1 展示了SS-TTS的结构设计和特性，包括其类似于人皮肤的感觉属性和用于电子皮肤的可伸缩传感器阵列的多层结构。还包括了典型SS-TTS的照片，以及在不同拉伸状态下的3×3传感器阵列的照片。图2 展示了ICS的设计原理和几何优化，以及不同ICS参数对传感器拉伸性能的影响。还包括了传感器在不同拉伸循环下的稳定性测试，以及COMSOL有限元分析的结果，展示了不同ICS参数下传感器在50%拉伸下的应力分布。图3展示了SS-TTS在不同拉伸状态下的压力传感性能，包括在无应变下的灵敏度、在0~80%应变下对不同压力的电压响应、响应恢复时间、在1 Hz频率下的电性能以及在不同压力和应变下的电压响应。图4 展示了SS-TTS作为电子皮肤在脉搏监测应用中的表现，包括在不同压力和应变下的电压响应曲线，以及脉搏波形的特征。图5 展示了3×3 SS-TTS阵列作为电子皮肤在触觉成像和轨迹识别中的应用，包括传感器阵列在不同应变下的压力响应，以及在人体皮肤上作为可伸缩触摸面板的应用。
4小结
通过软性和硬性材料的结合以及ICS设计策略，研究人员成功开发了一种SS-TTS，该传感器能够在皮肤上实现应变不敏感的精确传感信号检测。特别是ICS设计有效地诱导了界面集中应力的分布，并抑制了传感区域的应变。SS-TTS在0~70%的广泛应变范围内保持了稳定的信号检测能力，包括压力传感灵敏度、响应/恢复时间和电输出。此外，SS-TTS阵列在人体皮肤的应变范围内持续展现出应变不敏感的传感特性。在实际应用中，研究人员制造了一个可记录完整脉搏信号的可穿戴脉搏监测腕带，以及一个作为可伸缩触摸面板的传感器阵列，实现了触觉成像和轨迹识别。这项工作显著提高了可伸缩摩擦电触觉传感器在软界面上的传感稳定性，尤其是在人体皮肤上，为扩展到更广泛的柔性电子设备用于人机界面应用提供了有希望的潜力。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110482推荐阅读：
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