據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與復(fù)旦大學(xué)緊密合作，基于高靈敏的離電傳感機(jī)理與折射率匹配策略，研發(fā)出當(dāng)前全球透明度最高的柔性觸覺傳感器件，從機(jī)理上解決了觸覺傳感中透光度與靈敏度相矛盾的問題，并提出了用于消費電子及醫(yī)療健康領(lǐng)域的觸覺與視覺深度融合的智能方案。
柔性離電觸覺傳感機(jī)理是通過檢測具有壓力敏感結(jié)構(gòu)的離子/電子界面處的超電容，實現(xiàn)對壓力信號的測量。由于其超靈敏、高信噪比、抗干擾、材料來源廣泛等特點，柔性離電觸覺傳感技術(shù)已獲得廣泛的研究。潘挺睿教授領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院iMIND團(tuán)隊作為離電傳感技術(shù)的發(fā)明者，在這一領(lǐng)域持續(xù)地深入鉆研，開發(fā)了基于液滴式（Lab. Chip. 2012，12，1110; Lab. Chip. 2014， 14，1107; Lab. Chip. 2014，14，4344）、薄膜式（Adv. Mater. 2015， 27， 6055）、纖維式（Adv. Mater. 2017， 1700253; Adv. Funct. Mater. 2019， 1807343; ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11， 46157）、皮膚式（Adv. Mater. 2018， 1705122）等離電傳感器件，并將其廣泛應(yīng)用在健康監(jiān)測、醫(yī)療診斷、人機(jī)界面等前沿領(lǐng)域中（Ann. Biomed. Eng. 2014， 42， 2278; Ann. Biomed. Eng. 2016， 44， 2282; IEEE Trans. Biomed. Eng. 2019， 66， 3072; IEEE Trans. Biomed. Eng. 2021， 68， 2776）。
隨著柔性電子的不斷應(yīng)用和拓展，柔性觸覺傳感器在便攜電子、可穿戴、健康檢測等領(lǐng)域獲得了快速發(fā)展。在柔性壓力傳感器中引入高透明的光學(xué)特性，可實現(xiàn)觸覺和視覺的整合，帶來新的功能和應(yīng)用。由于離子材料，尤其是凝膠類材料本身的高透明特性，基于離電機(jī)理的透明柔性觸覺傳感器也獲得了深入研究，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了基于離子凝膠涂層、高透明離子薄膜等的透明傳感方案（Adv. Mater. 2015， 27， 6055; Adv. Sci. 2020， 7， 2000348）。然而，現(xiàn)有的柔性觸覺傳感器要在單一結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高透明度和高靈敏度仍然是一大難題。因為提高靈敏度一般采用增加界面粗糙度的方法。但是這種方法不可避免的會提高光線的反射與散射，從而大大降低器件的光學(xué)透明度和清晰度。
為了在單一傳感結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)高透明和高靈敏度，本文通過表面結(jié)構(gòu)設(shè)計和折射率匹配方案，開發(fā)出了一種基于離電原理的柔性超透明觸覺傳感器件（TIS）。作者選用了高透明的柔性電極、光固化離子凝膠、折射率匹配液作為制備傳感器的基本材料。通過微納加工將離子凝膠表面固化成半球形陣列的微結(jié)構(gòu)，然后將其夾在兩片透明電極之間，形成“三明治”型的高靈敏度傳感結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)光線穿過傳感器內(nèi)部的半球界面時會發(fā)生漫反射和折射，使得傳感器的透光率大大降低，同時透過傳感器的圖像也變得模糊。為解決半球界面的反射問題，論文提出了折射率匹配策略：使用折射率與離子凝膠相等的折射率匹配液填充到半球陣列之間的縫隙中，使半球界面兩側(cè)的折射率相等，從而降低光的反射率，提高透光率和圖像清晰度。基于這種設(shè)計方法，TIS獲得了當(dāng)前柔性觸覺傳感器中最高的整體透光率（96.9%），同時，通過調(diào)控離子凝膠半球陣列的尺寸與密度，可以獲得高達(dá)83.9 kPa?1的器件靈敏度。
圖1 超透明離電觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)與原理示意圖
通過將TIS傳感器與多種光學(xué)元件結(jié)合，賦予其觸覺感知的功能，實現(xiàn)多種視-觸結(jié)合的新型智能化應(yīng)用。通過陣列化的設(shè)計，TIS傳感器獲得了采集壓力分布的功能，直接貼合在屏幕表面，使得傳統(tǒng)的顯示元件獲得觸覺感知能力。這種新型的一體化元件，可以記錄書寫文字時不同的力度和書寫軌跡，實現(xiàn)3D輸入和書寫習(xí)慣識別等功能；可以直接識別放置其上物體的壓力分布圖像，用于物體識別，獲得基于增強現(xiàn)實的新型人機(jī)交互方式。
圖2 基于超透明離電觸覺傳感器的屏上觸覺圖像采集
小型化的TIS傳感器可以直接組裝在內(nèi)窺鏡鏡頭上，使內(nèi)窺鏡獲得了光學(xué)成像和觸覺感知的雙重功能，一方面避免了內(nèi)窺檢查時對軟組織的意外損傷，一方面可通過壓力數(shù)據(jù)來計算機(jī)體組織的硬度，用來輔助判斷病變程度。柔軟的TIS傳感器也可以直接將貼于皮膚表面，以隱形的方式采集包括脈搏波、呼吸、運動等生理參數(shù)，為醫(yī)學(xué)健康診斷提供重要數(shù)據(jù)。因此，高透明、高靈敏特性和優(yōu)秀的集成性使得TIS在消費電子、工控和醫(yī)療設(shè)備等的領(lǐng)域上具有潛在的應(yīng)用前景。
圖3 基于超透明離地觸覺傳感技術(shù)的觸覺/視覺深度融合的智能內(nèi)窺鏡應(yīng)用展示
圖4 基于超透明離電觸覺傳感器的可穿戴隱形健康監(jiān)測
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