基于生物聚合物凝胶的超灵敏离电式压力传感器，用于触觉反馈识别
2023-07-02 21:03:51 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发出一种纤维素基超分子生物聚合物凝胶（SBPG），具有高离子电导率和优异的刚度。研究人员利用八个基于超分子生物聚合物凝胶的离电式压力传感器制备了智能手套原型，基于触觉反馈算法，该智能手套在物体识别方面可实现90%的分类精度，验证了该技术的应用潜力。
快速发展的机器人、人机界面设备和可穿戴电子设备需要结构紧凑且用户友好设计的机械柔性、高灵敏度压力传感器。离电式压力传感器具有高灵敏度、快速响应等特点，有望作为触觉反馈接口，在虚拟现实/增强现实领域发挥关键作用。
据麦姆斯咨询报道，近日，中东技术大学（Middle East Technical University，METU）的研究人员开发出一种纤维素基超分子生物聚合物凝胶（SBPG），具有高离子电导率和优异的刚度，这些特性被转化为具有1475000 kPa⁻¹超高灵敏度的离电式压力传感器。研究人员利用八个基于超分子生物聚合物凝胶的离电式压力传感器制备了智能手套原型，基于触觉反馈算法，该智能手套在物体识别方面可实现90%的分类精度，验证了该技术的应用潜力。相关研究成果已发表于Advanced Materials Technologies期刊。
在这项工作中，研究人员发现，具有优异电化学性能和高刚度的介电层是实现离电式压力传感器高性能的关键条件。通过广泛的化学和电化学表征，研究人员优化设计了离电式压力传感器的介电层。介电层由基于羟乙基纤维素（HEC）、甘油和氯化钠（NaCl）的超分子生物聚合物凝胶构成，HEC和甘油分子的自组装经过优化，可获得最高可能性的离子电导率（9.85 × 10⁻⁴ S/cm）和具有足够刚度的面电容。传感器介电层的这一根本性突破，使得制备业界领先的超灵敏离电式压力传感器成为可能。
超分子生物聚合物凝胶的表征
这项研究工作制备的离电式压力传感器具有前所未有的灵敏度（1475000 kPa⁻¹）和稳定性，传感器峰值工作功率为4 μW。在16 kPa压力下，传感器的响应和恢复时间分别为63 ms和35 ms。在1 ~ 30 kPa的各种循环载荷下，传感器展示出良好的可重复电容响应特性。该传感器可以成功解析1 ~ 2 Pa的微小压力以及50 ~ 100 Pa的中等压力。通过压缩循环测试和弯曲循环测试，验证了该传感器的机械稳定性和信号稳定性。此外，在不同的相对湿度条件下，该传感器表现出非常稳定的压力响应。
离电式压力传感器的表征
基于该离电式压力传感器，研究人员制备了智能手套原型，展示了这种传感器的超高灵敏性能。该智能手套基于八个传感器单元制造，传感器连接使用导电纤维，传感器被放置在指尖和手掌的三个关键点上，可以检测被握物体对这些特定区域所施加的压力。结果表明，这种智能手套依靠压力传感器获得的触觉反馈，可以高精度地区分形状相似但大小和重量不同的物体。由于这种离电式压力传感器前所未有的灵敏度，该智能手套仅使用八个传感器单元即可实现90%的分类精度。
基于超分子生物聚合物凝胶的离电式压力传感器用于智能手套
总而言之，在这项工作中，研究人员通过广泛的化学和电化学表征，优化设计了离电式压力传感器的超分子生物聚合物凝胶介电层。这种设计策略还可以扩展到其它电化学器件，例如电池和超级电容器等，以实现前所未有的器件性能。基于这种优化设计的超分子生物聚合物凝胶介电层，研究人员制备了超高灵敏度（1475000 kPa⁻¹）的离电式压力传感器，将该传感器集成在智能手套中，可用于通过触觉反馈识别物体。实验证明，该智能手套仅使用八个传感器即可实现高准确率、精确率和召回率，凸显了这种方法在人机交互和机器人环境中开发触觉传感应用的潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202300322
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