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

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。

(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。