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  人體皮膚的力學傳感系統(tǒng)在人與外界環(huán)境進行適應性互動中起著至關重要的作用。在抓取動作中，皮膚觸覺感受器感知到的觸覺信息經(jīng)由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞、分析，可以精準的控制肌肉調(diào)節(jié)抓取力，以適應不同硬度的物體。人體皮膚的壓力感受器兼具高靈敏和寬檢測范圍，而在人工壓力傳感器的設計中，雖然可以通過降低響應材料的模量和構建微結構來提高靈敏度，但是往往會降低其檢測上限，使得制備出的傳感器不能很好的兼具高靈敏及寬檢測范圍。因此，平衡壓力傳感器的靈敏度和檢測范圍是提高其應用環(huán)境適用性的重要課題。

  近期，山東大學化學與化工學院劉亞慶教授課題組開發(fā)了一種基于CaCl₂·6H₂O（無機鹽相變材料）和丙烯酰胺的相變凝膠（PC-gel），通過使用相轉變能力實現(xiàn)凝膠模量變化的原理，設計了傳感性能可調(diào)節(jié)的壓力傳感器，能夠在高靈敏度與寬檢測范圍之間相互切換，以滿足不同的應用條件（圖1）。

圖1. 生物感覺反饋系統(tǒng)和人工觸覺反饋系統(tǒng)的示意圖。

圖2. PC-gel的制備及不同溫度下凝膠強度的變化。

  CaCl₂·6H₂O作為傳統(tǒng)相變材料，具備室溫范圍內(nèi)發(fā)生結晶與融化的相轉變能力（10-30℃）。因此，由CaCl₂·6H₂O與丙烯酰胺制備的凝膠表現(xiàn)出溫度調(diào)節(jié)的模量變化的能力，可以在300 KPa與340 MPa之間切換（圖2）。并且融化與結晶狀態(tài)下的模量差異具備很好的重復性和可操控性。

圖3. 基于PC-gel壓力傳感器的壓感性能。（a）壓力傳感器的結構及Mode I（結晶前）、Mode II（結晶后）下的壓感原理。（b,c）兩種響應模式下，傳感器電容隨壓力的變化曲線以及壓力誘導凝膠層形變的情況。（d）在不同壓力范圍內(nèi)，Mode I和Mode II模式下傳感信號的實時監(jiān)測。

  使用PC-gel作為傳感層制備的壓力傳感器展現(xiàn)出溫度調(diào)控的傳感性能，在不同模式下，壓力傳感器的靈敏度和檢測范圍有明顯的差異性（圖3 a,b）。在Mode I—低模量狀態(tài)下，PC-gel易變形，內(nèi)部大量離子在電極表面形成雙電層，二者協(xié)同作用實現(xiàn)傳感器的高靈敏和高信噪比（圖3 a,d）。而在Mode II—高模量狀態(tài)下，PC-gel可壓縮性降低，缺乏自由移動的離子，此時上下電極的距離成為傳感器電容變化的主導作用，因此可實現(xiàn)傳感器的寬檢測范圍（圖3 a,d）。

圖4. 具備自適應抓取能力的人工觸覺反饋系統(tǒng)。（a）人工觸覺反饋裝置。（b,c）使用Mode I模式抓取棉花、豆腐、去殼生雞蛋等柔軟物體。（d）通過調(diào)節(jié)兩種操作模式分別實現(xiàn)高靈敏和寬檢測范圍來適應不同材質(zhì)的抓取物。

  將上述壓力傳感器集成在機械手上，編寫程序?qū)崟r監(jiān)控壓力信號，通過在程序中預設對象材質(zhì)對應的電容閾值，可以使用壓力反饋來控制機械手的抓取力度，實現(xiàn)對目標物體的抓�。▓D4 a,b）。高靈敏度和寬傳感范圍兩種參數(shù)互補的工作模式賦予了該人工觸覺反饋系統(tǒng)自適應抓取不同柔軟度物體的能力。在Mode I模式下，較高的靈敏性使得機械手能夠抓取脆弱、柔軟的物體（圖4 c,d）。而在Mode II模式下，寬檢測范圍使得機械手能夠抓取堅硬、沉重的物體（圖4 d）。與傳統(tǒng)的固定工作模式的壓力傳感器相比，基于PC-gel的壓力傳感器具有高靈敏度、檢測范圍廣、適應性強等特性，適合作為多用途的傳感裝置應用于不同的場合。

  以上研究成果以“A phase-change gel based pressure sensor with tunable sensitivity for artificial tactile feedback systems”為題發(fā)表于J. Mater. Chem. A （DOI：10.1039/D1TA02791C）。論文第一作者為山東大學化學與化工學院科研助理景厚超，通訊作者為山東大學劉亞慶教授。該項研究得到了國家自然科學基金（22002073）、江蘇省自然科學基金（BK20200231）和山東省自然科學基金（ZR2020QB064）的資助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta02791c