南科大郭传飞教授团队《Sci. Adv.》：一石三鸟 - 嵌入式传感单元设计获得兼具高灵敏度、高界面稳定性、低串扰的电子皮肤

2023-03-06 来源：高分子科技

近日，南方科技大学郭传飞教授团队在Science Advances上发表题为《Embedment of sensing elements for robust, highly sensitive, and crosstalk-free iontronic skins for robotics applications》的研究论文，报道了一种新型离-电型电子皮肤，兼具高传感性能、高界面稳定性，以及低串扰。

电子皮肤是实现机器人触觉的核心器件，对智能机器人领域的发展有重要意义。理想的电子皮肤应同时具备高传感性能和高力学稳定性，前者可为机器人触觉提供丰富的环境信息，后者在于保障传感性能的持久发挥。然而，在电子皮肤中同时实现高灵敏度和高界面稳定性极具挑战，因为二者一对矛盾——高性能传感要求器件界面灵敏可变，而高力学稳定性则要求该界面少变化、不变化。

此外，电子皮肤中的另外一个重要挑战是传感阵点之间易于发生串扰。特别是在离-电型传感阵列中，经常采用一整块离子凝胶材料，离子在不同阵点之间的迁移是导致串扰的重要原因。

郭传飞团队提出一种传感界面和力学界面分离的策略有效地解决上述问题。该团队曾经研发出了一种超灵敏、大量程、快速响应的电子皮肤，他们在本文中，把这种具有高灵敏度的孤立传感单元嵌入到一体化的软材料基体中，使传感界面和力学界面分离，同时获得了高传感性能、高力学稳定性。同时，这种孤立的传感单元设计隔断了不同阵点之间的离子迁移，从而有效消除了不同阵点之间的串扰。

图1. 具有嵌入式结构的电子皮制备流程

有意思的是，这种把传感单元孤立并嵌入到软材料基材的方法没有牺牲一定比例的力学稳定性，反而观察到了界面的增强增韧。团队揭示了这种增强和增韧机制：一方面传感单元处的空腔对裂纹的扩展起到了钉扎作用，有效地防止了脆性裂纹的发生；另一方面，孔壁在剥离过程中产生巨大的形变，有效地耗散了形变能。因此，这种具有嵌入式结构的传感阵列相较于单层的软材料基体具有更高的强度及韧性，能显著提升器件在剪切力作用下的耐疲劳性能。

图2. 传感器界面增强增韧机理

图3. 传感器的传感性能

这种嵌入式结构设计将离子凝胶分隔为彼此独立且绝缘的单元，消除了器件之间离子迁移产生的串扰，串扰的大小由35%降至0.02%。此外，团队和腾讯合作，在电路和算法上都加入了抑制串扰的设计，消除了信号采集过程中因同行/列器件共用电极带来的串扰。

图4. 串扰消除及信号采集原理

这种电子皮肤能实现机器人的力反馈和识别功能。研究团队将该电子皮肤用于机器人触觉的示范，展示了其良好的力学稳定性，并进一步实现了灵巧手对不同抓取物体的识别。研究团队用贴附了这种电子皮肤的灵巧手去抓取不同的物体，通过机器学习，最终实现了高达99.5%的识别准确率。该研究为人工假肢、仿人机器人的触觉提供了一种非常有价值的技术。

图5. 触觉传感阵列在机器人领域的应用

南方科技大学材料科学与工程系2020级博士生石君利为论文第一作者，腾讯Robotics X实验室戴媛博士、南方科技大学材料科学与工程系2020级博士生程雨为论文共同第一作者，郭传飞教授为论文唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。本研究得到了国家自然科学基金委、广东省科技厅、深圳市科创委以及腾讯犀牛鸟项目的支持。

论文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8831

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（责任编辑：xu）

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