上海交大开发柔性离电式压力传感器，用于精准触觉交互
2025-09-13 16:25:46 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

上海交通大学提出一种柔性3D结构离电式压力传感器，其特点是通过冷冻3D打印技术将水凝胶晶格封装在一个受折纸启发的弹性框架内，基于超电容原理，该传感器实现了宽范围线性响应、快速响应速度以及在极端负载下的高分辨率检测。

设计用于模拟生物皮肤的柔性传感器，对于实现远程机器人、虚拟现实（VR）和假肢等领域的自然触觉交互至关重要。压力作为一种基础交互模态，能够为机器控制提供多样化输入范式（例如点击、持续按压和逐步分级按压），并支持触摸诊断、弹性成像等自然系统的生物力学检测。现有的压阻、摩擦电、磁敏和电容等传感机制虽然具有高灵敏度、低滞后性和机械鲁棒性等优势，但由于灵敏度和形变的饱和效应，传感器通常存在非线性的电学-力学特性，这限制了精准的触觉解码和保形接触，阻碍了人机之间的无缝交互。

柔性离电式压力传感器的原理是利用弹性电子-离子界面间的双电层电容检测压力，这种界面超电容机制推动了多种微结构设计，例如金字塔、半球和沟槽结构，以调控加载过程中的电响应。然而，这些传统的2.5D结构设计在压缩力学中往往存在应变硬化行为，使与机器人交互时的参数校准和数据处理变得复杂。3D结构设计为改善压缩硬化行为提供了一种有前景的解决方案。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海交通大学谷国迎教授团队提出一种柔性3D结构离电式压力传感器，其特点是通过冷冻3D打印技术将水凝胶晶格封装在一个受折纸启发的弹性框架内，基于超电容原理，该传感器实现了宽范围线性响应、快速响应速度以及在极端负载下的高分辨率检测。该传感器可作为人机界面（HMI），为机器人遥操作信号提供精准控制，并集成于指尖末端执行器用于软组织模量的精准安全检测。这项研究通过线性化电学-力学特性，为解码复杂触觉交互提供了一种有前景的方案。相关研究成果以“Soft 3D Lattice Iontronic Tactile Sensor”为题发表在SmartBot期刊上。

这项研究所提出的柔性3D结构压力传感器包含一个受折纸启发的弹性框架和一个内部冷冻打印的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）-聚乙烯醇（PEDOT:PSS-PVA）水凝胶晶格，该晶格夹在金属化织物之间。利用硅胶薄膜将金属化织物和夹层水凝胶封装在弹性框架内，构建出3D晶格结构压力传感器。这种封闭结构可防止水凝胶脱水，并在操作过程中提供了类似腔室的机械支撑。结合先进的打印技术，该传感器整体尺寸仅10 mm × 10 mm × 6.5 mm，小于人类指尖，且在重复压缩测试中表现出良好的机械可靠性。

柔性3D结构压力传感器的设计

图1 柔性3D结构压力传感器的设计

研究人员对柔性3D结构压力传感器进行了性能表征。结果表明，其具有宽范围线性特性（在0 ~ 220 kPa内灵敏度为0.022 ± 0.002 kPa⁻¹，R²=0.993 ± 0.005）、快速响应速度，以及在极端负载下的高分辨率检测（空载时为0.007% FS，150 kPa时为0.5% FS）。所提出的3D结构通过对弹性框架的可控折叠，同时实现了线性压缩行为（约49.5%应变范围内）与类组织柔顺性（E=127 ~ 404 kPa）。

柔性3D结构压力传感器的表征

图2 柔性3D结构压力传感器的表征

该柔性3D结构压力传感器可用作可穿戴人机界面，为复杂控制任务提供丰富的触觉交互方式。研究人员将其用于机器人遥操作，该压力传感器能够有效区分快速点击与持续按压两种触觉交互模式及其相应力度，结合预定义机器人控制命令实现了对机器人遥操作中复杂信号波形的准确、稳定和及时控制。此外，该压力传感器还可以与机器人末端执行器集成，作为可变形智能指尖，利用自身变形与软组织进行轻柔安全地触觉交互，实现对软组织模量的精准测量。这种柔软的智能指尖将丰富位置控制机器人的触觉感知能力。

基于柔性3D结构压力传感器的可穿戴人机界面（用于机器人遥操作）