搜索：
近日，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)器人研究所朱向陽(yáng)教授、谷國(guó)迎教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的Carmel Majidi教授在Advanced Materials期刊上提出了一種高靈敏的柔性離子凝膠壓感皮膚，利用超高電容機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了超寬的壓力檢測(cè)范圍、快速響應(yīng)時(shí)間、高電容基線（nF-μF級(jí)）和高信噪比，在生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、多點(diǎn)傳感陣列、殘疾人軟體假肢手觸覺(jué)反饋等領(lǐng)域取得了實(shí)際應(yīng)用。論文“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses” 第一作者是機(jī)器人研究所博士研究生沈澤群。
設(shè)計(jì)觸覺(jué)電子皮膚以模仿人類皮膚的功能和性能一直以來(lái)是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，研究人員基于不同材料體系和傳感機(jī)理研發(fā)了一系列壓敏觸覺(jué)傳感器件。然而，這些傳感器容易受到外界噪聲的干擾，在與機(jī)器人系統(tǒng)集成時(shí)面臨的非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中難以展現(xiàn)理想的傳感性能。
本研究設(shè)計(jì)的壓力傳感器主要由離子導(dǎo)電的水凝膠和導(dǎo)電金屬織布組成，與傳統(tǒng)的pF級(jí)平行板電容壓力傳感機(jī)理不同，該器件采用了新型的超高電容機(jī)理，將平行板電容中間絕緣的介電層替換為離子導(dǎo)電的水凝膠層，水凝膠與金屬電極在界面處形成了雙電層，金屬電極表面的正負(fù)電荷分別吸引水凝膠中相反極性的離子，在界面處大量微觀的離子-電子對(duì)形成微電容，由于其間隙由毫米級(jí)降低至納米級(jí)，其電容值顯著增強(qiáng)，在宏觀上形成了nF至μF級(jí)的超高單位面積電容。
新型超高電容壓力傳感器具有理想的傳感性能，其靈敏度高出傳統(tǒng)器件44倍。電容值高出傳統(tǒng)器件約3-5個(gè)量級(jí)。它具有超寬的壓力測(cè)試范圍，最高可達(dá)330 kPa，同時(shí)最低檢測(cè)極限為35 Pa；具有快速響應(yīng)時(shí)間為18 ms，快于人體皮膚40 ms的響應(yīng)時(shí)間；循環(huán)加載下能保持穩(wěn)定性以及在較高壓力下仍具有高分辨率。
該壓力傳感器可以作為可穿戴電子皮膚應(yīng)用。類似于人體皮膚，該電子皮膚可以區(qū)分不同的壓力范圍，并具有對(duì)瞬時(shí)壓力刺激的檢測(cè)能力。單個(gè)傳感單元可以擴(kuò)展為多點(diǎn)傳感陣列，傳感陣列還具有同時(shí)識(shí)別多點(diǎn)壓力的能力。
壓感皮膚還可與軟體仿生手集成，使仿生手可以檢測(cè)微小物體的放置。超靈敏的壓感皮膚還具有動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力，可以實(shí)時(shí)控制工業(yè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有觸覺(jué)反饋的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，使上肢截肢的殘疾受試者使用肌電信號(hào)控制具有傳感功能的軟體假肢手，研究證明壓感觸覺(jué)皮膚可以使佩戴假肢手的殘疾人具有分辨不同尖銳程度物體的能力。
研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，上海市科委“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目和上海交通大學(xué)創(chuàng)新基金的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202102069
上海交大
機(jī)械動(dòng)力學(xué)院
上海交大
機(jī)動(dòng)本科教務(wù)辦
SJTU機(jī)動(dòng)研教辦
上海交大
機(jī)動(dòng)校友辦
上海交大MEM
SJTUME基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐
SJTUME錘錘
上海交大
機(jī)動(dòng)研究生會(huì)
ME微紅旗
ME礪遠(yuǎn)學(xué)術(shù)
SJTUME職業(yè)發(fā)展中心
學(xué)院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)閔行校區(qū)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn