柔性觸覺傳感器（FTS）能夠感知機(jī)械力信號（應(yīng)變、壓力和剪切力等），被廣泛用于仿生假肢、健康監(jiān)測、人工智能以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。理想的FTS需要同時具備高靈敏度與高精度的觸覺信號檢測能力。實際應(yīng)用中，F(xiàn)TS不可避免地會暴露于機(jī)械沖擊、溫濕度變化等外部干擾環(huán)境中。多重刺激產(chǎn)生的復(fù)雜干擾會顯著影響FTS的感知能力，從而降低其傳感精度。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)FTS缺乏抗干擾能力，易導(dǎo)致感知錯誤或測量失真，極大限制了其實際應(yīng)用場景。因此，開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)且靈敏度高的FTS已成為當(dāng)前迫切需求。

針對上述問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉建偉教授團(tuán)隊利用納米線界面組裝技術(shù)結(jié)合機(jī)械策略，報道了一種具有優(yōu)異抗干擾功能的應(yīng)變和壓力雙模態(tài)FTS。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nano Letters上。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生王文澤、李新林為論文共同第一作者。劉建偉教授為通訊作者。

圖1. FTS結(jié)構(gòu)及應(yīng)用的概述圖

在自然界中，許多生物依靠自身的微尺度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對外界機(jī)械力的感知。例如蝎子通過位于跗骨和跗骨腿關(guān)節(jié)之間的彎曲裂紋感受器來探測環(huán)境振動。因此，研究團(tuán)隊受該高靈敏裂紋感受器的啟發(fā)，開發(fā)了一種高性能、抗干擾的雙模態(tài)FTS（圖1）。通過納米線界面組裝結(jié)合機(jī)械策略輔助組裝，實現(xiàn)了大范圍有序的銀納米線薄膜的制備。此外，該研究利用調(diào)控界面組裝方向?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能（靈敏度高達(dá)7.58 × 105；最小檢測限為0.01%）（圖2）和優(yōu)異的壓力傳感性能（圖3）。

圖2. FTS的應(yīng)變感知性能

圖3. FTS的壓力感知性能

結(jié)論與展望

本文設(shè)計了一種獨(dú)特的由生物啟發(fā)的雙模態(tài)FTS，實現(xiàn)了兩種模態(tài)的感知。在模態(tài)一下FTS具有超靈敏的應(yīng)變感知能力；在模態(tài)二下其具備超優(yōu)異穩(wěn)定的壓力感知能力。此外，兩種模態(tài)下的FTS均具有優(yōu)異的抗干擾性能，能夠抵抗外界機(jī)械沖擊以及溫濕度的變化。最后，將FTS集成到人體皮膚表面，可用于手腕和脊柱運(yùn)動的實時、準(zhǔn)確監(jiān)測。該工作推動了柔性傳感器在醫(yī)療健康、人體監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展。

該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目和中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究項目的資助，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)實驗中心和中國科學(xué)院AI-Scientist機(jī)器人平臺的支持。

來源：ACs期刊資訊