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柔性可穿戴触觉传感器

电子皮肤技术应用于可连接皮肤的设备、机器人和假肢,触觉感知是至关重要的。触觉感知包括对各种刺激的检测,如压力、应变、温度、剪切、弯曲、振动和滑动。对于可穿戴设备,触觉传感器,也叫电子皮肤物理传感器,可用于检测生命体征(血压、呼吸频率等),以及监测身体活动和位置(即本体感觉)。可以提供有用的信息,如健身、姿势、步态异常或四肢突然颤抖。就机器人和假肢而言,触觉传感器将使机器人或截肢者能够探测其物理环境,从而完成处理和操纵日常物品以及与他人互动等任务。对于机器人来说,本体感觉(对身体位置感知或运动感知)是机器人正常运行的重要特征。特别是对于软机器人,由于它们的形状在外力作用下容易变形,因此监测本体感受尤其具有挑战性。此外,由于软机器人一般使用弹性体,往往具有非线性、滞后和粘弹性的特性,使得本体感觉的监测更加困难。


目前一些可拉伸的导体、半导体材料与器件,以及自愈合材料和生物相容材料已广泛应用于电子皮肤物理传感平台,包括应变和温度传感器、电子晶须和可穿戴设备。对于电子皮肤的有源矩阵背板,使用对齐的纳米线阵列或SWCNT网络薄膜的基于纳米材料的晶体管阵列已经被用于切换功能,以选择每个像素进行触觉压力读数。图1a显示了一个基于对齐的Ge/Si核/壳纳米线阵列晶体管的电子皮肤,其中纳米线阵列用作晶体管通道。该晶体管表现出一个相对较高的场效应迁移率为20 cm2 v-1s-1开关比约为100。重要的是,即使在2.5mm弯曲半径和>2000次弯曲循环下,晶体管的机械性能也很稳定。将纳米线晶体管阵列(18X19像素)集成到有源矩阵和导电压敏橡胶(PSR)(图1c)中,可以实现类似于人类皮肤的触觉压力映射(图1d)。虽然导电型PSR用于此应用,其他类型的PSR使用电容变化或压电检测的机制也可以应用于电子皮肤。


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