電子皮膚在假肢、機(jī)器人技術(shù)和人工智能等新興領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。作為電子皮膚的關(guān)鍵部分，開發(fā)具有慢適應(yīng)I型（SA?I）機(jī)械感受器特性的柔性壓力傳感器至關(guān)重要，這不僅需要傳感器在小壓力范圍（小于10 kPa）探測微小靜態(tài)壓力變化，而且要確保在中等壓力范圍（10~100 kPa）對靜態(tài)壓力可精確穩(wěn)定地進(jìn)行控制，以完成日常的操縱性任務(wù)。目前，研發(fā)兼具寬壓力范圍、快速響應(yīng)時(shí)間、線性和低滯回壓力響應(yīng)的靈敏且穩(wěn)定的柔性壓力傳感器仍具有挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學(xué)李盛濤教授課題組聯(lián)合美國加州大學(xué)洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）課題組報(bào)道了基于具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS/CNT（聚二甲基硅氧烷/碳納米管）導(dǎo)電復(fù)合材料高性能柔性電阻式壓力傳感器簡單直接的設(shè)計(jì)方法。基于傳感器的工作機(jī)理，從電路模型（路）和有限元數(shù)值仿真（場）兩方面，揭示了與以往的設(shè)計(jì)——微金字塔表面涂覆很薄的導(dǎo)電層相比，該設(shè)計(jì)方法可提供更寬的壓力量程和更高的靈敏度。

結(jié)合數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了傳感器的壓力響應(yīng)取決于其間距與基底長度之比，而不僅僅依賴于間距，且當(dāng)間距與基底長度為1:1時(shí)，可獲得優(yōu)異的綜合性能以模擬SA-I機(jī)械感受器，該優(yōu)化設(shè)計(jì)比例的壓力傳感器可在小壓力范圍和中等壓力范圍下提供高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、高力學(xué)穩(wěn)定性、低工作電壓和低功耗，高線性度和低滯回以及微米尺度高度均一的優(yōu)異綜合性能。

基于該優(yōu)化設(shè)計(jì)比例的傳感器，構(gòu)建了可實(shí)時(shí)地將幅值信號轉(zhuǎn)化為頻率信號且進(jìn)行無線傳輸?shù)膲毫鞲邢到y(tǒng)，以及可實(shí)時(shí)進(jìn)行空間分辨的壓力傳感陣列平臺(tái)。此外，鑒于微金字塔結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，基于導(dǎo)電復(fù)合材料的微金字塔結(jié)構(gòu)也可被集成到電容式、晶體管式、摩擦電式等其他類型的傳感器以獲取高的機(jī)械穩(wěn)定性。

該研究成果以“Robust Flexible Pressure Sensors Made from Conductive Micropyramids for Manipulation Tasks”（基于導(dǎo)電微金字塔結(jié)構(gòu)用于操作性任務(wù)的穩(wěn)健柔性壓力傳感器）為題在國際著名期刊ACS NANO（美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米，IF = 14.588）在線發(fā)表。論文的第一作者為西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院博士生馬超，通訊作者為西安交大電氣工程學(xué)院李盛濤教授，以及美國加州大學(xué)洛杉磯分校Prof. Yu Huang（黃昱教授）和Prof. Xiangfeng Duan（段鑲鋒教授）。