柔性力传感器是一类由软材料(水凝胶、离子凝胶和弹性体等)制成的柔性传感器，在健康监测、电子皮肤和软体机器人等方面具有广泛的应用前景。然而，现有研究主要关注的是传感器在静态、准静态力信号下的响应能力，柔性力传感器的动态响应在满足人机交互和生物语音识别等新兴应用中非常关键，却鲜有报道。目前一些研究提出利用柔性薄膜共振原理的高灵敏度传感器能够进行动态力信号传感，但这些传感器只能在其共振频率附近获得高灵敏度响应。当输入信号由不同频率和幅值的复杂分量组成时，这些具有非平坦灵敏度-频率曲线传感器的输出信号将与输入信号迥异，从而很难解调出原始输入信号，阻碍了进一步实际工程应用研究。目前在柔性力传感器领域中同时实现高灵敏度和宽且平坦的频率响应仍然是一个挑战。
基于此，西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室、航天航空学院软机器实验室卢同庆教授团队提出了一种结合预加载策略的高灵敏离-电传感技术，利用预加载结构设计拓宽稳定的工作频率范围，利用纯弹性水凝胶与电极形成的双电层电容进行高灵敏传感，将传感器力学响应和电学传感的部件进行解耦，大幅提升了柔性力传感器的响应速度(响应时间 < 1 ms)，成功解决了高灵敏度与宽且平坦频率响应之间的矛盾。开发出能够传感复杂动态信号的柔性离电动态传感器(IDS)，其在保证高灵敏度(–23 dB @ 1 V/Pa)的同时实现了宽(10 Hz – ~1000 Hz)且平坦(灵敏度±3 dB)的频率响应曲线。这项工作为柔性力传感器在动态信号传感领域的探索提供了新思路。
柔性离电动态传感器(IDS)旨在监测与人有关的动态信号，例如人声和器乐声音等复杂动态信号。通过预加载策略精密组装形成多层的传感器结构，当外部动态信号作用于IDS时，传感器的电极薄膜发生周期性振动进行传感。在正压下，电极薄膜与水凝胶界面接触面积增大，导致电信号正向输出，而在负压下，电极薄膜与水凝胶界面的接触面积减小，导致电信号负向输出，如图1所示。团队提出的适用于有源离电传感器的新型交流阻抗共振采集电路，通过调整定值电感和外加交流电压频率大小，可以调节离电传感器输出电压与载荷幅值之间的线性度和灵敏度。研究结果表明该工作提出的高灵敏宽带宽IDS在保证高灵敏的同时可实现工作带宽比现有大部分柔性力传感器工作带宽1~2个数量级的提升。
为了充分验证研究的实用性，研究人员利用柔性IDS进行了高保真录音，频率范围从简单的单音到旋律、歌曲和器乐声音，基本覆盖整个日常的人声频谱，如图4所示。在最后的展示性实验中，研究团队还使用可穿戴IDS进行语音远程控制玩具车实验，展示了其人机交互的潜力，如图5所示。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11166
- 湖南大学陈小华教授团队在双电层电容器领域取得重要研究进展 2017-12-04
