通過擴展和集成單個傳感器，實現(xiàn)了對多觸覺信息的高精度感知和有效的人機交互。柔性電子技術(shù)的進步正在推動從傳統(tǒng)的剛性傳感器架構(gòu)向具有生物相容性、皮膚適應性和多功能集成的系統(tǒng)過渡，克服了表皮兼容性和曲面適應性的局限性。與適應性有限的傳統(tǒng)剛性傳感器相比，柔性傳感器的發(fā)展顯著擴大了傳感技術(shù)的潛在應用。憑借其卓越的靈活性和適應性，柔性傳感器可以模仿甚至超越人類皮膚的觸覺傳感功能，緊密適應各種不規(guī)則表面，以提供更精確的傳感能力。這些獨特的特性使柔性傳感器能夠在可穿戴設(shè)備、醫(yī)療監(jiān)測、機器人皮膚和其他領(lǐng)域顯示出廣泛的潛在應用。

觸覺感知是一個關(guān)鍵的感知模塊，用于實現(xiàn)人類和機器人與環(huán)境之間的精確交互。近年來，研究人員一直在積極探索新材料、觸覺敏感微結(jié)構(gòu)和響應機制，以解決柔性觸覺傳感器在性能和應用方面面臨的挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)開發(fā)了幾種類型的柔性觸覺傳感器，包括壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、磁性和光學響應機制。其中，壓阻式觸覺傳感器因其穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、易于集成而得到了廣泛的研究。盡管取得了重大進展，但在實現(xiàn)柔性觸覺設(shè)備的高效感知和響應穩(wěn)定性方面仍存在關(guān)鍵挑戰(zhàn)。例如，當前的觸覺傳感器通常難以同時實現(xiàn)高靈敏度、寬檢測范圍和低檢測限。最佳檢測模式應在低壓區(qū)域結(jié)合高靈敏度和低檢測限，同時在高壓區(qū)域保持穩(wěn)定的信號輸出特性和寬動態(tài)范圍，這將顯著擴大其在不同場景中的應用潛力。此外，在器件制造過程中，導電材料和柔性基板之間的弱界面結(jié)合在循環(huán)負載下極易發(fā)生接觸失效，導致信號漂移或?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)斷裂，嚴重損害信號輸出和長期穩(wěn)定性。

特別是，感測層中微結(jié)構(gòu)形狀和分布的設(shè)計是提高觸覺傳感器檢測范圍和靈敏度的關(guān)鍵因素。目前，微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計包括傳統(tǒng)的幾何形狀（例如，金字塔、柱狀、多孔結(jié)構(gòu)等），還涉及仿生自然表面特征結(jié)構(gòu)（例如，模仿甲蟲、珍珠層、玫瑰花瓣、荷葉、蟬翼和貓舌。這些微結(jié)構(gòu)通常使用3D打印、犧牲/仿生模板方法、光刻和靜電紡絲等技術(shù)進行設(shè)計。由于其卓越的精度和形狀適應性，3D打印技術(shù)能夠精確制造具有復雜幾何形狀的微結(jié)構(gòu)。因此，它已成為微結(jié)構(gòu)制造中最常用和最有效的技術(shù)之一。然而，常用的壓敏彈性體材料，如PDMS和Ecoflex，由于其模量特性，通常會導致脫模缺陷、微觀結(jié)構(gòu)損壞和壓縮回彈滯后等問題，從而引發(fā)界面粘附效應。此外，多步成型工藝可能會導致微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的累積變形，從而導致靈敏度降低、基線漂移，甚至器件的功能失效。除了微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，引入高性能電極材料也是提高傳感器性能的有效策略。例如，碳基納米材料、金屬納米材料、MXene和導電聚合物因其優(yōu)異的導電性、機械性能和柔韌性而被廣泛用于制備柔性傳感器。這些材料可以有效地與柔性基板（如PDMS、PET、PI等）集成，以確保有效的電路傳導和穩(wěn)定性。特別是，MXene表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性和可調(diào)的表面特性，使高性能和柔性器件之間能夠完美兼容。MXene基導電油墨與微電路印刷技術(shù)的集成實現(xiàn)了室溫下高精度和高效率的電路制造，增強了傳感器的可擴展性和一致性。

本文亮點

1. 本工作受蛇鱗結(jié)構(gòu)布置的啟發(fā)，構(gòu)建了一種具有交叉傾斜梯度（CTG）架構(gòu)的創(chuàng)新柔性觸覺傳感器。

2. 該傳感器通過超密集傳感點設(shè)計和多梯度結(jié)構(gòu)補償機制的協(xié)同效應，實現(xiàn)了2.116 kPa?1的高靈敏度和511.11 kPa的寬檢測范圍。

3. 通過界面兼容性設(shè)計和等離子體表面處理，使用柔性電子直寫系統(tǒng)在室溫下制備了具有高摩擦阻力、高導電性和強界面粘附性的MXene/PET電極。

4. 仿生傳感器具有出色的響應特性（響應時間為8ms）、長期運行穩(wěn)定性（>8500次循環(huán)），并且沒有明顯的信號漂移。其出色的靈敏度使其能夠全面感知人體姿勢。

5. 通過擴展和集成單個傳感器，實現(xiàn)了對多觸覺信息的高精度感知和有效的人機交互。

圖文解析

圖1. CTG仿生觸覺傳感器的設(shè)計和應用示意圖。（a）仿生和微結(jié)構(gòu)設(shè)計。（b）CTG壓力傳感器的組成和結(jié)構(gòu)示意圖。（c）反應機制。（d）多種場景下的感知應用。

圖2. PET基MXene叉指電極的制備和表征。（a）使用HCl和LiF從MAX相材料蝕刻Al原子的MXene制造工藝示意圖。一MAX結(jié)構(gòu)圖。（Ⅱ）具有手風琴狀多層結(jié)構(gòu)的Ti3C2。（三）MXene納米片。（b）75 mg/mL MXene油墨的粘度特性。（c）以復雜線條為特征的MXene圖案。（d）印刷在PET基板上的MXene交叉指型電極的光學照片。（e）PET基材經(jīng)親水處理后的接觸角變化。（f）PET基MXene叉指電極的應變循環(huán)穩(wěn)定性。（g）MXene薄片均勻堆疊的電極路徑。（h）圖2g中MXene電極的EDS元素映射圖像，包括Ti、C、F和O。（j）不同印刷參數(shù)下MXene電極的電導率。

圖3. CTG柔性觸覺傳感器的壓力傳感性能。（a）基于CTG傳感器的觸覺開關(guān)。（b）電信號測試系統(tǒng)。（c）CTG傳感器的電阻信號與壓力變化曲線。（d）特定壓力（0-445 kPa）下傳感器的I-V關(guān)系。（e）CTG傳感器的響應和恢復時間。（f）可變壓力下CTG傳感器的動態(tài)響應特性。（g）傳感器在約22.5 kPa和45 kPa下的循環(huán)穩(wěn)定性。（h）CTG傳感器對一滴水（約35mg）引起的相對電阻變化做出響應，顯示出非常低的檢測限。（i）不同感測區(qū)域小規(guī)模接觸刺激下的電阻響應。（j）CTG傳感器在連續(xù)可變頻率下的信號輸出性能。（k）CTG傳感器在40 kPa相對壓力下的穩(wěn)定性測試約5000次循環(huán)。

圖4. 基于壓力傳感的柔軟度和滑動識別。（a）柔軟度和硬度測試平臺。（b–c）5種材料（50 mm×40 mm×10 mm）的光學照片，包括橡膠、PDMS、Ecoflex、EPE和海綿。（d）為樣品生成的電阻波形曲線。（e）海綿和橡膠產(chǎn)生的電阻信號的時域特性差異。（f）傳感器在隨機滑動速度下的整個信號交互過程。（g）三種不同接觸壓力下的滑動特性信號：壓力1<壓力2<壓力3。（h）CTG傳感器在具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的紙板上以約1.1 cm/s的速度滑動產(chǎn)生的時域信號。

圖5. CTG傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)運動/姿勢傳感的全范圍壓力檢測，覆蓋從低壓到高壓區(qū)域的寬響應范圍。（a）手掌連續(xù)打開和關(guān)閉期間的電阻信號變化。（b）檢測拇指屈伸運動引起的手腕局部肌肉區(qū)域的小位移變化。（c）手臂肌肉的運動檢測。（d）連續(xù)檢測手動單次、雙次和三次按壓塑料瓶產(chǎn)生的傳感器電信號。（e）探測深呼吸引起的微弱喉部信號。（f）張開和閉合口腔時TMJ活動觸發(fā)的電信號響應。（g）腳部運動檢測。（h）實時監(jiān)測坐姿變化。

圖6. 用于人機交互的觸覺傳感器。（a）2×2 MXene電極陣列的光學圖像。（b）CTG觸覺傳感器陣列，帶有四個標記為1-4的觸覺開關(guān)。（c）微控制器單元（MCU）。（d）基于多通道觸覺開關(guān)控制的LED燈交互應用。（e）多個觸覺開關(guān)，用于安全加密應用。（f–g）FPCB集成了藍牙無線傳輸功能，配備了四通道傳感器接口。（h）不同重量的傳感器陣列產(chǎn)生的壓力分布。（i）控制模塊的操作模式。（j）手指分別在傳感器2、1、3和4上滑動的響應曲線。（k）握住水杯時觸發(fā)的四個傳感器的信號響應曲線。（l–m）腳姿勢的識別。

來源：柔性傳感及器件