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日本利用納米網狀壓力傳感器研發(fā)人體皮膚觸覺的貼片

作者:麥姆斯咨詢王懿
來源:MEMS
日期:2020-12-28 09:27:24
摘要:據麥姆斯咨詢報道,日本東京大學研究人員近日開發(fā)出一款人造皮膚貼片,該貼片不會影響其接觸的人體皮膚的觸覺靈敏度。
關鍵詞:壓力傳感器

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據麥姆斯咨詢報道,日本東京大學研究人員近日開發(fā)出一款人造皮膚貼片,該貼片不會影響其接觸的人體皮膚的觸覺靈敏度。這種新型超薄傳感器由多層導電和電介質納米網狀結構制成,可用于假肢、機器人輔助手術、人機界面以及可穿戴醫(yī)療監(jiān)測儀等各類應用。

皮膚是人體最大的感覺器官,擁有豐富的神經元,它們不斷地監(jiān)測著環(huán)境中的刺激,并將這些信息傳遞至大腦。因此,優(yōu)秀的人造皮膚必須能夠復制這種能力。特別是電子皮膚需要高靈敏度的觸摸傳感能力,同時也能迅速響應外界施加的壓力。

為了實現上述目標,電子皮膚需要包含高密度的傳感器,達到至少50 μm區(qū)域配備單個傳感器的密度。但同時也需避免人類自然觸覺的干擾,而事實證明,這實現起來非常困難。例如,人類指尖非常敏感,一小片僅幾微米厚的塑料薄膜就足以削弱人的觸摸感覺。

“用于手指的可穿戴傳感器必須非常薄?!比毡緰|京大學Takao Someya研究團隊成員、該論文第一作者Sunghoon Lee解釋道,“但這顯然會讓傳感器變得非常脆弱,容易因摩擦或反復物理作用而受到損壞?!?/p>

Lee補充道,正是由于該原因,迄今為止開發(fā)的多數電子皮膚都相對較厚,如由集成納米線的傳感器陣列或微結構橡膠層制成的電子皮膚,它們可以根據壓力而改變電容或電阻。

人造皮膚貼片由兩層網狀物構成

相比之下,由Takao Someya研究團隊共同開發(fā)的傳感器則非常薄而且可滲透。該器件由兩層構成,均采用了靜電紡絲工藝,并基于Akihito Miyamoto及其同事在2017年提出的設計制造而成。第一層是絕緣網狀物,由200 nm至400 nm的聚氨酯纖維構成;第二層是線路網狀物,構成了該器件的功能性電子元件——平行板電容器。第二層主要由金在聚乙烯醇(PVA)支架上制成,PVA是一種常見于隱形眼鏡的水溶性聚合物。一旦第二層制造完成,研究人員就會將PVA洗去,只留下金支撐物。最終的成品壓力傳感器厚度約為13 μm。

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(A)貼附在食指上的納米網狀壓力傳感器(比例尺:5mm),(B)以52°的傾斜角層壓在聚酰亞胺膜上的納米網狀壓力傳感器的橫截面SEM圖像(比例尺:5μm)。

當覆蓋傳感器的手指抓住物體時,電介質納米網狀層就會變形,從而導致兩層之間的電容值發(fā)生變化。當研究人員根據電容—壓力變化曲線的斜率來評估器件靈敏度時,發(fā)現傳感器測量的握力值與裸手指的握力值相當(施加壓力低于0.141 kPa?1范圍的值小于1 kPa,施加壓力高于0.010 kPa?1范圍值則超過10 kPa)。

“在18位測試對象的幫助下,我們對該傳感器進行了嚴格的測試?!盠ee表示,“該測試證實,執(zhí)行相同的任務,與不攜帶傳感器的對照組相比,攜帶組的傳感器難以被察覺,既不影響通過摩擦力抓取物體的能力,也不影響其感知的靈敏度。這正是我們所希望達到結果?!?/p>

人造皮膚貼片堅固且耐磨

研究人員發(fā)現,該傳感器的另一項優(yōu)勢是,即使被反復壓縮后,納米網狀傳感器仍能繼續(xù)正常工作。事實上,以19.6 kPa擠壓1000次后,該器件的電容僅改變了0.15%。而在這些實驗中,金電極的電導率也保持相對穩(wěn)定。

另一項有利于該傳感器的性質就是其摩擦阻力:實驗表明,該傳感器可以與50 g的物體摩擦300次而不斷裂(相當于施加超過100 kpa的壓力)。在這些測試中,該傳感器的電氣特性僅發(fā)生了輕微的變化,即使在多次摩擦后,該器件仍對施加壓力非常敏感。

研究人員將其研究成果發(fā)表于《科學》(Science),并展望下一步將增加其器件中的傳感點數量,以及確定壓力在整個器件中的空間分布情況。“我們還希望進一步開發(fā)其他領域的微型傳感器,如溫度、應變以及濕度傳感器,最終實現多模態(tài)傳感?!盠ee向Physics World透露。