通過(guo)分級互鎖結(jie)構設(she)計(ji)獲得高(gao)靈(ling)敏(min)和寬(kuan)線性(xing)傳感柔性壓(ya)力傳感器

靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)、線性傳感範圍寬(kuan)的柔(rou)性(xing)壓(ya)力傳感器在機(ji)器人(ren)觸(chu)覺、健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)、可(ke)穿戴(dai)設(she)備領域(yu)具(ju)有重(zhong)要應(ying)用。構築微(wei)結(jie)構可(ke)以提(ti)高(gao)傳感器的靈(ling)敏(min)度(du)，但(dan)由(you)於軟(ruan)材料(liao)在壓(ya)力作用(yong)下(xia)的(de)結(jie)構硬化(hua)問題使傳感器的響(xiang)應(ying)逐漸(jian)飽(bao)和，導致器件呈現較窄(zhai)的(de)傳感範圍和顯著的(de)非線性響(xiang)應(ying)。

針對這壹(yi)問題，來自(zi)南方科技(ji)大學(xue)的郭(guo)傳飛教(jiao)授(shou)團(tuan)隊(dui)設(she)計(ji)了由(you)微(wei)穹頂陣列與帶有次級微(wei)柱的微(wei)穹頂（分級微(wei)穹頂）陣列而(er)形成(cheng)的壹(yi)種(zhong)分級互鎖結(jie)構，有效提(ti)升(sheng)界(jie)面結(jie)構的可(ke)壓(ya)縮(suo)性，顯著降(jiang)低結(jie)構硬化(hua)，實(shi)現柔性壓(ya)力傳感器的高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)（49.1 kPa-1）、線性(xing)響應(ying)（相關系(xi)數(shu)R2>0.995）和寬(kuan)傳感範圍的統壹(yi)（~485 kPa）。傳感器的響(xiang)應(ying)/恢復(fu)時間小於(yu)5 ms，可(ke)以檢(jian)測(ce)頻率高(gao)達(da)200 Hz的(de)振(zhen)動(dong)刺(ci)激(ji)，顯示(shi)出(chu)良好的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)特性。將(jiang)傳感器用於(yu)機(ji)械手(shou)的(de)抓(zhua)取任(ren)務(wu)中，結(jie)合(he)機(ji)器學(xue)習，幫助(zhu)機(ji)械手(shou)識(shi)別被(bei)抓取物(wu)體(ti)的(de)重(zhong)量，提(ti)升(sheng)機(ji)器人(ren)觸(chu)覺感知能(neng)力。相(xiang)關工(gong)作以(yi)“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range"為(wei)題發(fa)表(biao)於(yu)國際(ji)期刊《ACS Nano》。

該(gai)研究(jiu)使(shi)用(yong)面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光(guang)刻技(ji)術(shu)（nanoArch S130，摩方精(jing)密(mi)）打(da)印具(ju)有微(wei)穹頂結(jie)構以及分級微(wei)穹頂結(jie)構的樹(shu)脂(zhi)作為(wei)模(mo)具(ju)，進壹(yi)步地(di)，通過(guo)模板法(fa)獲得具(ju)有微(wei)穹頂結(jie)構的環氧樹(shu)脂(zhi)/Au電(dian)極(ji)及離子(zi)膜。打(da)印模具(ju)尺寸(cun)：9 mm×9 mm×1.5 mm，單(dan)個(ge)微(wei)穹頂尺寸(cun)（電極模具(ju)）：寬(kuan)290 μm，高(gao)480 μm；次級微(wei)柱尺寸（離子膜模具(ju)）：直(zhi)徑28 μm，高(gao)70 μm。每層(ceng)打(da)印精(jing)度(du)設(she)置(zhi)為(wei)5 μm，以(yi)實(shi)現分級互鎖結(jie)構的高(gao)精(jing)度(du)、定(ding)制化(hua)打(da)印。

這項(xiang)工(gong)作為(wei)制(zhi)造具(ju)有高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)、高(gao)線性度(du)和寬(kuan)壓(ya)力響(xiang)應(ying)範圍(wei)的柔(rou)性壓(ya)力傳感器提(ti)供了壹(yi)種(zhong)策(ce)略，在未(wei)來(lai)的(de)觸(chu)覺器件中具(ju)有廣(guang)闊的(de)應(ying)用前景。

圖1. 分級互鎖結(jie)構的可(ke)壓(ya)縮(suo)性及器件傳感原(yuan)理(li)

分級互鎖結(jie)構由(you)微(wei)穹頂結(jie)構與帶有次級微(wei)柱的微(wei)穹頂結(jie)構組(zu)成(cheng)。微(wei)柱在分級互鎖結(jie)構中具(ju)有重(zhong)要作用(yong)。壹(yi)方面，它(ta)提(ti)高(gao)了結(jie)構的可(ke)壓(ya)縮(suo)性，減少結(jie)構硬化(hua)，使(shi)應(ying)力分布(bu)更(geng)均(jun)勻，有助(zhu)於實(shi)現線性形變；另壹(yi)方面，微(wei)柱結(jie)構的引入減小(xiao)了電(dian)極(ji)與(yu)離(li)子膜之(zhi)間(jian)的(de)起始(shi)接觸(chu)面積(ji)，可(ke)有效(xiao)提(ti)高(gao)了器件的(de)靈(ling)敏(min)度(du)（圖1）。

圖(tu)2. 分級互鎖型(xing)柔性(xing)壓(ya)力傳感器的制(zhi)備

該(gai)研究(jiu)使(shi)用(yong)面投(tou)影(ying)微(wei)立體(ti)光(guang)刻技(ji)術(shu)打(da)印具(ju)有微(wei)穹頂結(jie)構以及分級微(wei)穹頂結(jie)構的樹(shu)脂(zhi)作為(wei)模(mo)具(ju)。進壹(yi)步地(di)，通過(guo)模板法(fa)獲得具(ju)有微(wei)穹頂結(jie)構的環氧樹(shu)脂(zhi)/Au電(dian)極(ji)及離子(zi)膜，並與(yu)平(ping)面電(dian)極(ji)PET/Au組(zu)合(he)、封裝(zhuang)，獲得分級互鎖型(xing)器件（圖(tu)2）。

圖(tu)3. 分級互鎖型(xing)柔性(xing)壓(ya)力傳感器的傳感性能

分級互鎖結(jie)構的設(she)計(ji)實(shi)現了器件的(de)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)、高(gao)線性度(du)及寬(kuan)傳感範圍的統壹(yi)，同(tong)時提(ti)升(sheng)了器件的(de)響(xiang)應(ying)速度(du)，實(shi)現對高(gao)頻振(zhen)動(dong)刺(ci)激(ji)的(de)精(jing)準(zhun)檢(jian)測(ce)，呈現出(chu)良好的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)特性（圖3）。

圖4. 分級互鎖型(xing)柔性(xing)壓(ya)力傳感器的線(xian)性(xing)傳感特性

將(jiang)該(gai)傳感器用於(yu)開發(fa)線(xian)性(xing)響應(ying)的電(dian)子天(tian)平(ping)，並(bing)用(yong)於測(ce)量幾(ji)種(zhong)未(wei)知物(wu)體(ti)的(de)重(zhong)量，其(qi)輸(shu)出(chu)結(jie)果(guo)與商業(ye)電子天(tian)平(ping)的(de)稱量結(jie)果(guo)幾(ji)乎壹(yi)致(zhi)，表(biao)明了自(zi)制(zhi)電(dian)子(zi)天(tian)平(ping)對質(zhi)量的(de)測(ce)量比較準(zhun)確(que)、可(ke)靠，而(er)且(qie)無需額(e)外的(de)非線(xian)性(xing)校(xiao)準，大大簡化(hua)數(shu)據(ju)處理(li)過程（圖4）。

圖5. 基(ji)於(yu)機(ji)器學(xue)習的抓取任(ren)務(wu)感知與(yu)重(zhong)量識(shi)別