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你知道電子皮膚嗎？

它可以讓安裝假肢的人恢復(fù)觸覺；

讓機(jī)器人體會(huì)拿起一個(gè)蘋果或杯子所需的力量差異；

將它與智能手表和腕帶等結(jié)合，還可實(shí)現(xiàn)“智能把脈”……

可謂用處多多！

而如何讓電子皮膚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(gè)不小的挑戰(zhàn)。

相關(guān)研究的最新進(jìn)展來自中國科學(xué)院上海高等研究院，研究人員設(shè)計(jì)出了一種基于碳材料、具有指紋微結(jié)構(gòu)的3D打印電子皮膚。

該皮膚可以精確檢測(cè)壓力，摸出物體表面微米級(jí)別的差異！

甚至連空氣的流動(dòng)都不放過！

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

PDMS微球+石墨烯的創(chuàng)意組合

這個(gè)電子皮膚的材料由聚二甲基硅氧烷（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(fā)，將它賦予了指紋微結(jié)構(gòu)。

△ 指紋微結(jié)構(gòu)電子皮膚由基底層、電極和傳感器層等組成

制作過程如下：

首先將PDMS加水進(jìn)行乳化、離心和固化制成PDMS微球 （microspheres），與石墨烯混合。

其中，使用未交聯(lián)PDMS-石墨烯混合液態(tài)先驅(qū)液包覆微球。

然后將混合溶液充分?jǐn)嚢瑁玫骄鶆虻哪z狀油墨。

接著用3DMAX建好具有指紋結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器模型。

最后，使用打印機(jī)在2分鐘之內(nèi)打印出一張高為0.3mm、直徑為20mm的實(shí)體，再經(jīng)過60°C的高溫固化5個(gè)小時(shí)，一張“電子皮膚”就完成了！

這個(gè)新型電子皮膚的效果如何？

研究人員進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試、10μm/s加載速度的壓力傳感測(cè)試以及摩擦測(cè)試等等。

可摸出物體表面微米級(jí)別的差異

首先來關(guān)注它能否區(qū)分微觀結(jié)構(gòu)下不同粗糙度的物體表面。

下圖（a）為顯微鏡下4個(gè)不同激光紋理表面樣本，單位：μm，（d）為人類手指對(duì)該4個(gè)樣本的觸覺反應(yīng)：

使用以下裝置和操作對(duì)該電子皮膚的粗糙反應(yīng)度進(jìn)行測(cè)試：

可以發(fā)現(xiàn)，該電子皮膚可以精確區(qū)分不同粗糙度的物理表面：

除此之外，該電子皮膚還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、拉伸能力強(qiáng)健：傳感層的伸長率可達(dá)70%。不過隨著石墨烯含量的增加，該性能會(huì)下降；

2、響應(yīng)時(shí)間短：60ms的瞬時(shí)響應(yīng)；

3、靈敏度高：隨著壓力的降低（2.9kPa到0.18kPa），該皮膚的靈敏度從0.55kPa⁻ ¹增加到2.4kPa⁻ ¹ 。

這表明該皮膚有在低壓下進(jìn)行壓力傳感的潛力，比如感受人類皮膚的光觸覺。

4、風(fēng)荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在風(fēng)速為1m/s的流體環(huán)境中，該傳感器還能有效地“觸摸”到氣體和其他流體的變化。

以上表明，這個(gè)基于PDMS微球和石墨烯所構(gòu)建的電子皮膚，不僅可以用于對(duì)不同粗糙度表面的檢測(cè)，還可用于氣流監(jiān)測(cè)、聲音檢測(cè)等。

最后，研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)工作為電子皮膚的研究提供了新思路，也可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的傳感設(shè)計(jì)。

論文地址：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c04079