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  觸覺(jué)作為人類(lèi)最基礎(chǔ)的感官之一，始終維系著人體與環(huán)境間高頻度的信息交互。觸覺(jué)傳感技術(shù)通過(guò)采集壓力、紋理、溫度等多維物理信號(hào)，為機(jī)械系統(tǒng)賦予了類(lèi)生物感知能力。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）在觸覺(jué)傳感領(lǐng)域具有巨大潛力。這類(lèi)傳感器能夠借助柔性材料，直接將觸覺(jué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無(wú)需外部供電，從而在材料感知方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

  近日，來(lái)自華南理工大學(xué)江賽華教授團(tuán)隊(duì)的研究者們開(kāi)發(fā)了一種可穿戴柔性觸覺(jué)TENG（FT-TENG）。該器件采用自制的PDMS-EGaIn墨水作為導(dǎo)電電極，可在PDMS基底上直接書(shū)寫(xiě)圖案化柔性導(dǎo)電電路。設(shè)計(jì)多層柔性薄膜傳感結(jié)構(gòu)，并配置于機(jī)械手指尖，實(shí)現(xiàn)了器件的全柔性化。結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（1D-CNN），該器件能以99.53%的準(zhǔn)確率精準(zhǔn)識(shí)別多種材料，在表面粗糙度檢測(cè)中準(zhǔn)確率可達(dá)85.26%。這些成果彰顯了FT-TENG作為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器在材料感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該工作以“Wearable Flexible Tactile Triboelectric Sensor Constructed with 3D Printing for Material Perception”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》雜志上，共同第一作者為華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院的碩士研究生宋滔、孔淇、博士研究生李順，其他作者包括戴康、Nour F. Attia、王和堂，文章通訊作者為華南理工大學(xué)江賽華教授。

圖1 FT-TENG 的制備與操作流程

  圖1(a)展示了配置于新一代機(jī)械手指尖表面的FT-TENG裝置示意圖。每個(gè)手指覆蓋著具有不同電負(fù)性的摩擦材料層。右側(cè)詳細(xì)呈現(xiàn)了單個(gè) FT-TENG 指尖的三層結(jié)構(gòu)：最底層作為柔性硅膠基底直接接觸機(jī)械手指；中間層通過(guò)3D打印涂覆導(dǎo)電PDMS-EGaIn墨水（PE油墨），作為摩擦發(fā)電過(guò)程的電極；最上層分設(shè)不同摩擦電材料，以直接在電極表面形成差異化電負(fù)性分布。圖1(b)展示了FT-TENG制備流程。圖1(c)呈現(xiàn)了本研究所用全部材料的摩擦電序，兩種材料間摩擦可產(chǎn)生顯著電壓脈沖特征，有助于FT-TENG應(yīng)用中的材料識(shí)別。圖1(d)展示了FT-TENG的兩大應(yīng)用方向：通過(guò)摩擦電序和機(jī)器學(xué)習(xí)算法兩種方式識(shí)別材料種類(lèi)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料表面粗糙度識(shí)別。

圖2 PE油墨的表征

  圖2(a-d)展示了不同配比（20,30,40,50vol% EGaIn）的PE墨水固化后的SEM圖像。隨著PE墨水中EGaIn合金含量的增加，其在 PDMS中的分散更為致密，從而改善了分散性。這表明可以更有效地進(jìn)行活化處理，確保EGaIn層的導(dǎo)電性。含量50 vol% EGaIn的PE-4電極（固化后的PE墨水）活化前后的微觀形貌如圖2(e-h) 所示，可見(jiàn)活化前EGaIn以較大顆粒體積分散在PDMS中，活化后EGaIn顆粒發(fā)生破碎并呈現(xiàn)更密集的分散狀態(tài)，這使得PE油墨具有更高導(dǎo)電性。PE-1、PE-2、PE-3和PE-4的截面SEM（圖2i-l）顯示出，隨著EGaIn合金含量的增加，PE油墨表面粗糙度上升，層間越發(fā)復(fù)雜。PE-4油墨具有剪切稀化特性，滿(mǎn)足DIW-3D 打印的要求（圖2m-n）。圖2o了展示PE油墨的斷裂伸長(zhǎng)率均超過(guò)正常皮膚應(yīng)變范圍（50%），說(shuō)明其具備良好的皮膚共形能力。圖2（p）表明1至2次100%拉伸足以使固化后的PE油墨激活為有效導(dǎo)體。為闡明PE導(dǎo)體作為摩擦層與電極的輸出性能，將商用 RTV 硅膠與 PE 導(dǎo)體結(jié)合制成簡(jiǎn)易摩擦電傳感器，結(jié)果見(jiàn)圖2(q)和圖2(r)：在頻率恒定的拍打下，輸出電壓隨接觸力增大而升高；而當(dāng)接觸力固定,拍打頻率變化時(shí)，器件輸出電壓幅值保持不變。

圖3 用于材料識(shí)別的可穿戴柔性觸覺(jué)TENG傳感器的設(shè)計(jì)、制備與測(cè)試

  基于PTFE、芳綸、PET、PA66四種摩擦層材料構(gòu)建的FT-TENG，貼合手掌且具備觸覺(jué)感知與材料識(shí)別功能（圖3a-b）。選取硅膠、PI、PVC、鋁、PU作為待測(cè)材料。圖3(c)展示了當(dāng)不同摩擦電序的待測(cè)材料接觸PTFE摩擦層的電壓信號(hào)特征，電負(fù)性強(qiáng)于PTFE的材料產(chǎn)生先負(fù)后正（如硅膠），弱于PTFE的材料先正后負(fù)（如PI、PVC、鋁和PU）的脈沖信號(hào)特征。同理，通過(guò)不同材料在FT-TENG上產(chǎn)生的摩擦信號(hào)確定其在摩擦電序中的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)分待測(cè)材料種類(lèi)的功能（圖3d-f）。此外，FT-TENG在高溫、低溫、潮濕等極端環(huán)境下，仍能保持良好性能（圖3l-q），并通過(guò)200次拉伸循環(huán)測(cè)試驗(yàn)證了其機(jī)械穩(wěn)定性（圖3r-s）。

圖4 基于FT-TENG的材料類(lèi)型與粗糙度識(shí)別

  使用FT-TENG食指部位摩擦層以不同頻率對(duì)4種不同粗糙度的45號(hào)碳結(jié)構(gòu)鋼樣本和6種不同粗糙度的ABS塑料材料進(jìn)行摩擦，產(chǎn)生的摩擦電信號(hào)分別如圖4(c-e)和圖4(f-g)所示，表明其可實(shí)現(xiàn)材料表面紋理感知，且在響應(yīng)速度和識(shí)別受限空間材料方面具有發(fā)展?jié)摿�。為提�?/span>FT-TENG智能化程度，開(kāi)發(fā)了基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）的識(shí)別模型。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和訓(xùn)練測(cè)試（訓(xùn)練集與測(cè)試集按8:2比例劃分），粗糙度識(shí)別最高準(zhǔn)確率達(dá)85.26%，材料識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.53%（圖4i-k），證明了FT-TENG作為智能觸覺(jué)傳感器的卓越效能。

  總結(jié)：該工作展示了基于3D打印技術(shù)構(gòu)建的可穿戴柔性觸覺(jué)摩擦電傳感器的潛在應(yīng)用，為機(jī)器人觸覺(jué)傳感在材料感知領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種新的思路。該工作得到廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、天津市消防安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、國(guó)家自然科學(xué)基金以及廣東省自然科學(xué)基金的支持。

江賽華教授簡(jiǎn)介：

  江賽華，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院教授，2014年博士畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同年獲得香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，曾在2017-2020年間于賓夕法尼亞大學(xué)從事博士后研究工作。研究方向主要為智能安全傳感、新能源與材料安全技術(shù)及理論研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)題、科技部外國(guó)專(zhuān)家項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、廣州市科技項(xiàng)目等30余項(xiàng)科研項(xiàng)目，參與多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及973計(jì)劃項(xiàng)目。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of hazardous materials、Journal of Materials Chemistry A 等國(guó)際期刊共發(fā)表 SCI 收錄論文130余篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利18項(xiàng)，登記軟著1項(xiàng)，省部級(jí)科技成果登記1件。研究論文得到同行的積極評(píng)價(jià)（引用數(shù)累計(jì)超過(guò)5000次，h-index 為41）。研究成果獲中國(guó)安全生產(chǎn)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472504759X