中科院纳米能源与纳米系统研究所AFM：基于摩擦电纳米发生器用于检测法向力和切向力的全弹性无金属触觉传感器

【引言】

      灵活和可伸缩的触觉传感器已经引起了显着的研究兴趣，并且在机器人，安全监控，人工智能，工业自动化和医疗保健等许多领域已经开发出各种应用。摩擦纳米发电机（TENG）已被证实是实现具有自供电能力和高灵敏     度的传感装置的有希望的方法。TENG的工作原理基于摩擦带电和静电的耦合效应感应。摩擦带电可以产生高输出电压，并且静电感应可以将反应信号放大到机械运动，这两者都可以提高传感器装置的灵敏度。在过去的几年中，基于TENG技术的大量触摸和压力传感器已经开发出来。然而，传感器上施加的接触力可以是沿传感器接口的法线方向，也可以是沿切线方向。在实践中，一个设备应该能够同时检测这两种力，但是这个基本功能在以前的大部分研究中都被忽略了。因此，有必要设计一种基于TENG的触觉传感器来测量这两种力正常和切向力的作用，可以进一步推动TENG技术在工业机器人，人机交互等领域的实际应用。

【成果简介】

        近日，北京中国科学院纳米能源与纳米系统研究所王中林院士和陈翔宇教授课题组（共同通讯作者）在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials上发表 “Fully Elastic and Metal-Free Tactile Sensors for Detecting both Normal and Tangential Forces Based on Triboelectric Nanogenerators”的论文，第一作者是博士生任泽伟。研究人员展示了一种基于纯弹性材料的自驱动触觉传感器，可检测正常力和切向力。与单电极模式TENG已经被用作用于产生信号的芯元件，其中所述弹性膜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）是用于摩擦带电的电介质材料和伸缩性电极通过混合PDMS和炭黑（PDMS-制成CB）。微小的毛刺阵列被印刷在接触带电的接口上，并且微小的毛刺阵列和电介质膜的弹性变形可以产生不同的电压信号。这种咬合式的毛刺结构可以形成良好的弹性界面，随着切向位移的产生所需要的切向力也会显著增加。而切向位移直接可以被纳米发电机转化为输出电压，因此可以利用胡克定律对切向力进行测量。装置检测到的正常压力可以达到1.5MPa，灵敏度约为51.43kPa/V，并且可以检测到范围从0.5至40 N，粗敏感度为0.83 N/V（0.5-3 N）和2.50 N/V（3-40 N）。同时，通过四分区电极结构也可以清楚地区分不同方向的切向力以及扭转运动。通过增加施加在器件上的力，接触界面和介电膜上的微小毛刺阵列可以发生两种不同的变形过程，这可以帮助我们检测小应力和大应力。设计的触觉传感器不仅可以检测法向力和切向力，还可以区分施加的切向力的方向。此外，传感器的上表面涂有屏蔽膜，可以屏蔽静电干扰，从而保证传感器的稳定性和可重复性。这种基于TENG的传感器可能潜在地应用于许多领域，如工业机器人，人机交互等，并可能促进对触觉传感器的实际研究。

【全文解析】

图1 法向力传感器的结构图。a）法向力传感器的示意图。b）在PDMS中掺杂的炭黑的微观形态。c）PDMS膜的表面形态。d）传感器的照片。e）PDMS-CB和原始PDMS材料的弹性特性。f）PDMS-CB材料的电导率。图2 触摸检测法向力传感器。a, b）有无屏蔽膜时的按压后的开路电压。c）传感器在不同压力下的输出性能。d）输出电压和施加压力之间的关系。图3 三轴力传感器的结构图。a）三轴力传感器的结构设计。b）三轴力传感器的照片。c）由电介质膜的弹性变形产生的电压的详细机理。图4 检测三轴力传感器。a）复合力作用下三轴力传感器的输出性能。b, c）传感器的一个电极的动态输出信号响应两种力幅度（b）从0到0.8 N（c）从0 N到38 N。d）输出值的详细关系 电压和切向力的幅度。传感器的应力-应变（e）平面接口（f）接触界面上有微小的毛刺阵列，Fz = 20 N。 图5 检测从不同方向施加的切向力a-c）沿不同方向施加的切向力的三轴力传感器的示意图和动态输出。d）PDMS膜在扭转力作用下的扭曲变形示意图e）不同扭曲变形的PDMS薄膜和PDMS-CB电极之间微小毛刺阵列的重叠面积的变化 f, g）在扭转力作用下来自四个电极的动态输出信号，其中相应的静态扭矩为（f）0.056 N m和（g）0.14 N m图6 三轴力传感器用于触觉和机械振动检测的适用性。a）迷你双电极切向力传感器的照片。b）用于手指触摸检测的迷你传感器的实时输出信号的屏幕截图。c）机械振动检测平台和系统。d）用于振动检测的改进的三轴力传感器的输出信号。

总结与展望

      基于单电极模式下的TENG，该研究演示了一种完全弹性的并且无金属的触觉传感器，可用于检测法向力和切向力。该器件的特点是制造简单并且耐久性强，同时纳米发电机输出的强电压信号可以保证该器件具有较高的灵敏度。检测到的常压可以达到1.5MPa，灵敏度约为51.43kPa/V。同时，接触界面上的微小毛刺阵列有助于器件在力作用下的弹性变形，从而提高了这种基于TENG的传感器的灵敏度。因此，粗糙灵敏度为0.83 N/V（0.5-3 N）和2.50 N/V（3-40 N）的传感器可以检测到大范围的切向力（0.5-40 N）。此外，借助四分区电极结构，可以区分不同方向施加的切向力，并且还可以基于此结构识别扭力。此外，在设备的顶部表面上涂覆了接地屏蔽膜，因此传感器的稳定性和可重复性可以显着增强。考虑到这些特性，所提出的触觉传感器有望应用于工业机器人，可穿戴电子设备和人机交互等领域。

     这项工作得到了科学技术部长（2016YFA0202704），北京市科学技术委员会（Z171100000317001）国家重点科研项目，先进研究员及其创新团队“千人才计划”的支持，国家自然科学基金重点项目（编号21237003），国家自然科学基金（批准号：51775049, 51432005, 11674215, 5151101243, 51561145021）。

Zewei Ren, Jinhui Nie, Jiajia Shao, Qingsong Lai, Longfei Wang, Jian Chen, Xiangyu Chen, Zhong Lin Wang, Fully Elastic and Metal-Free Tactile Sensors for Detecting both Normal and Tangential Forces Based on Triboelectric Nanogenerators, Adv. Funct. Mater., DOI:10.1002/adfm.201802989