【引言】

智能皮膚作為仿生機器人與外部環(huán)境之間的拉伸媒介，需要具備可拉伸性和觸覺傳感特性，摩擦以及測量多種外部機械刺激的拉伸能力。近年來，摩擦已有多種基于壓力傳感器的拉伸智能皮膚被開發(fā)應(yīng)用于觸覺傳感，但由于缺少可拉伸性和橫向拉伸傳感的摩擦特性，大大限制了這些人造智能皮膚的拉伸功能和應(yīng)用。此外，摩擦一些動物皮膚可以通過改變顏色和發(fā)光強度進行交流和偽裝，拉伸所以具備可調(diào)節(jié)的摩擦光學(xué)特性對于智能皮膚也具有重要的意義。

【成果簡介】

近日，拉伸中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所張弛研究員和王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的摩擦科研團隊研發(fā)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拉伸觸覺和手勢傳感。STPS基于仿生皮膚褶皺的摩擦光柵結(jié)構(gòu)薄膜，可以在不同的拉伸橫向拉伸應(yīng)變下表現(xiàn)出可調(diào)的聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）。同時，也可以作為摩擦納米發(fā)電機（TENG），將開路電壓用于縱向壓力傳感，并且在不同的拉伸條件下壓力傳感特性保持穩(wěn)定。通過將STPS集成在機械手上作為共形的覆蓋層，STPS表現(xiàn)出了多維度的觸覺傳感和手勢翻譯特性。這種耦合了摩擦電與光激發(fā)的多功能傳感終端，將在人機交互、軟體機器人和人工智能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(fā)表（DOI：10.1002/adma.201800066）。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 可拉伸摩擦電-光智能皮膚（STPS）的概觀圖

（a）STPS的制備流程圖

（b）STPS的結(jié)構(gòu)圖

（c）STPS用于機械手的示意圖

（d）AIE復(fù)合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖

（e）AIE復(fù)合物在不同濃度THF-水溶液中的光致發(fā)光（PL）光譜

（f）固態(tài)AIE復(fù)合物的PL光譜

圖2 STPS用于橫向拉伸應(yīng)變傳感的可調(diào)PL特性

（a）STPS基于光柵結(jié)構(gòu)金屬薄膜的可調(diào)PL原理

（b）在365 nm紫外光照射下，不同拉伸應(yīng)變狀態(tài)STPS的發(fā)光圖

（c）不同拉伸應(yīng)變下光柵結(jié)構(gòu)金屬薄膜的光學(xué)顯微鏡圖

（d）光柵結(jié)構(gòu)金屬薄膜的裂紋寬度隨拉伸應(yīng)變的變化關(guān)系

（e）不同拉伸應(yīng)變下STPS的PL光譜

（f）510 nm處的峰值強度隨拉伸應(yīng)變的變化關(guān)系

（g）STPS用于橫向拉伸應(yīng)變傳感的穩(wěn)定性和耐久性測試????

圖3 STPS用于縱向壓力傳感的電壓特性

（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(guān)系

（d）不同拉伸應(yīng)變下STPS的開路電壓隨接觸壓力的變化關(guān)系

（e）STPS用于縱向壓力傳感的穩(wěn)定性和耐久性測試

圖4 STPS集成于機械手的傳感特性

（a）集成在機械手食指上STPS的實物圖以及不同關(guān)節(jié)彎曲時的發(fā)光圖

（b）不同彎曲狀態(tài)下三個關(guān)節(jié)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(tài)下STPS的開路電壓

【小結(jié)】

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(yīng)變調(diào)控的光致發(fā)光強度來傳感橫向拉伸應(yīng)變，同時也可以作為摩擦納米發(fā)電機，利用電壓信號來傳感縱向壓力，并且在不同的拉伸應(yīng)變下縱向壓力傳感的特性保持不變。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(xiàn)出對不同外部機械刺激以及不同手勢的多維度傳感。這項工作首次實現(xiàn)了摩擦電和光激發(fā)耦合的多功能傳感終端，在人機交互、軟體機器人和人工智能領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(xué)術(shù)組李小依【李文健】供稿，材料牛整理編輯。

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