最新電子面板的觸覺有多靈？連空氣流動都能感受到

2021-07-10 03:03:24

你知道電子面板嗎？

它可以讓安裝假肢的人恢復觸覺；

讓機器人體會拿起一個蘋果或杯子所需的力量差異；

將它與智慧手錶和腕帶等結合，還可實現「智慧把脈」……

可謂用處多多！

而如何讓電子面板感受不同物體表面的差異，摸出不同粗糙度的那種，一直是個不小的挑戰。

相關研究的最新進展來自中國科學院上海高等研究院，研究人員設計出了一種基於碳材料、具有指紋微結構的3D列印電子面板。

該面板可以精確檢測壓力，摸出物體表面微米級別的差異！

甚至連空氣的流動都不放過！

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成果已發表在綜合性材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

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PDMS微球+石墨烯的創意組合

這個電子面板的材料由聚二甲基矽氧烷（PDMS）微球與石墨烯組成。

除此之外，研究人員受到人類指紋的啟發，將它賦予了指紋微結構。

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△指紋微結構電子面板由基底層、電極和感測器層等組成

製作過程如下：

首先將PDMS加水進行乳化、離心和固化製成PDMS微球（microspheres），與石墨烯混合。

其中，使用未交聯PDMS-石墨烯混合液態先驅液包覆微球。

然後將混合溶液充分攪拌，得到均勻的凝膠狀油墨。

接著用3DMAX建好具有指紋結構的觸覺感測器模型。

最後，使用印表機在2分鐘之內打印出一張高為0.3mm、直徑為20mm的實體，再經過60°C的高溫固化5個小時，一張「電子面板」就完成了！

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這個新型電子面板的效果如何？

研究人員進行了力學效能測試、10μm/s載入速度的壓力感測測試以及摩擦測試等等。

可摸出物體表面微米級別的差異

首先來關注它能否區分微觀結構下不同粗糙度的物體表面。

下圖（a）為顯微鏡下4個不同鐳射紋理表面樣本，單位：μm，（d）為人類手指對該4個樣本的觸覺反應：

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使用以下裝置和操作對該電子面板的粗糙反應度進行測試：

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可以發現，該電子面板可以精確區分不同粗糙度的物理表面：

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△左為不同粗糙度的鐳射毛化表面在外加壓力作用下的摩擦力，右為不同摩擦力作用下的阻力變化

除此之外，該電子面板還具有一下優點：

1、拉伸能力強健：感測層的伸長率可達70%。不過隨著石墨烯含量的增加，該效能會下降；

2、響應時間短：60ms的瞬時響應；

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3、靈敏度高：隨著壓力的降低（2.9kPa到0.18kPa），該面板的靈敏度從0.55kPa 增加到2.4kPa 。

這表明該面板有在低壓下進行壓力感測的潛力，比如感受人類面板的光觸覺。

4、風荷實驗結果表明，在風速為1m/s的流體環境中，該感測器還能有效地「觸控」到氣體和其他流體的變化。

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以上表明，這個基於PDMS微球和石墨烯所構建的電子面板，不僅可以用於對不同粗糙度表面的檢測，還可用於氣流監測、聲音檢測等。

最後，研究團隊表示，這項工作為電子面板的研究提供了新思路，也可應用於可穿戴裝置的感測設計。