人類觸覺感知是一種復(fù)雜的感覺系統(tǒng)，它依賴于皮膚中的感覺受體來接收外部刺激，轉(zhuǎn)換信號，隨后通過神經(jīng)系統(tǒng)分析和識別這些信號。傳遞到大腦皮層的觸覺信息在特定區(qū)域經(jīng)歷復(fù)雜的處理。例如，體感皮層感知身體位置和運(yùn)動的變化，而頂葉皮層負(fù)責(zé)識別物體的形狀和紋理。人類的觸覺感知超越了單純的生理反應(yīng)；它允許個(gè)人通過觸摸辨別物體的形狀、紋理和表面特征，促進(jìn)與環(huán)境的互動和決策過程。柔性可穿戴技術(shù)的進(jìn)步促使人們試圖通過壓力傳感器模擬人體皮膚的觸感。利用壓阻、壓電電容、壓電和其他機(jī)制的柔性壓力傳感器具有高靈敏度和快速響應(yīng)性，已被廣泛開發(fā)并有效應(yīng)用于仿生機(jī)器人、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子皮膚等各個(gè)領(lǐng)域。然而，僅基于單一機(jī)制使用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)大腦皮層材料識別的全面模擬仍然具有挑戰(zhàn)性。基于單個(gè)壓阻或壓電電容的壓力傳感器通常只采集與壓力或力學(xué)相關(guān)的單個(gè)信號，因此難以同時(shí)提供材料識別所需的多維信息。由于自然界中各種材料的表面電荷特性不同，摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）可以通過接觸具有不同電子增益或損失能力的材料來感應(yīng)不同量的正負(fù)電荷，并在表面之間產(chǎn)生電勢?；诓煌哪Σ岭娸敵鲂盘?，可以有效地識別所接觸的材料類型。相比之下，雖然TENG可以實(shí)現(xiàn)材料的初始區(qū)分，但它們僅用于動態(tài)壓力，在抓取物體時(shí)無法捕捉到有關(guān)機(jī)械刺激的準(zhǔn)確信息。因此，需要同時(shí)集成多種傳感機(jī)制的多模態(tài)觸覺傳感器，以多種方式實(shí)現(xiàn)對材料特性和機(jī)械刺激信息的捕獲。李等設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種由軟硬件協(xié)同驅(qū)動的基于全皮仿生e-skin的智能材料認(rèn)知系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過單次接觸實(shí)現(xiàn)不同材料及其位置的同時(shí)認(rèn)知，有望為智能機(jī)器人和假肢提供新的觸覺認(rèn)知能力，從而促進(jìn)智能化進(jìn)程的發(fā)展。

提高TENG的輸出性能以及摩擦電層與識別對象之間的電負(fù)性差異在研究中具有實(shí)際意義。引入微結(jié)構(gòu)來增加接觸表面積，從而產(chǎn)生總電荷是最直接的方法。通過靜電紡絲制備的微納纖維具有較大的比表面積和豐富的多孔結(jié)構(gòu)，不僅易于引入微觀結(jié)構(gòu)，而且由于其薄而輕的質(zhì)量和與皮膚的柔軟貼合，具有優(yōu)異的穿著舒適性。因此，它們是制備可穿戴TENG的有前景的候選者。然而，纖維結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相對較低的功率輸出，主要?dú)w因于其微米級的厚度。因此，除了結(jié)構(gòu)調(diào)制外，摩擦電材料的表面功能化，如離子摻雜、自由基注入和等離子體處理，也會顯著影響電荷的產(chǎn)生。目前的大多數(shù)報(bào)告主要集中在修改負(fù)摩擦電層上，這在識別高電負(fù)性材料方面的改進(jìn)有限。實(shí)際上，TENG的性能也與正摩擦電層接觸表面上的電荷密度成正比。通過摻雜供電子離子液體對正摩擦電層材料進(jìn)行改性是一種有前景的嘗試。然而，雖然離子注入可以顯著提高TENG的輸出，但其長期穩(wěn)定性仍需考慮。

對于離子電容式壓力傳感器，離子液體摻雜同時(shí)賦予復(fù)合纖維薄膜優(yōu)異的離子傳輸性能，可以通過在外部壓力刺激下與電極形成陰離子和陽離子的雙電層（EDL）來實(shí)現(xiàn)觸覺傳感。由于EDL界面正負(fù)電荷之間的原子尺度距離（≈1 nm），離子電子器件可以獲得μF cm?2范圍內(nèi)的超高面積電容。這解決了傳統(tǒng)電容式傳感器靈敏度低的問題，顯著提高了可穿戴觸覺傳感器的靈敏度。EDL電容主要受界面接觸面積的影響。因此，具有多層光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的離子觸覺傳感器可以在寬壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的傳感器靈敏度。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作用1-乙基-3-甲基咪唑雙氰胺（[EMIM][DCA]）改性的多功能離子纖維膜可以實(shí)現(xiàn)高性能的離子電容傳感和摩擦發(fā)電。[EMIM][DCA]通過獨(dú)特的氫鍵高度摻雜到熱塑性聚氨酯中，從而制成具有超高靈敏度（184.3 kPa?1）和超低檢測限（1.9 Pa）的電容式觸覺傳感器。

2. 雙氰胺離子將供電子基團(tuán)引入正摩擦電層，使摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）的輸出性能提高了2.47倍，具有超過20000次循環(huán)的優(yōu)異穩(wěn)定性。

3. 通過整合這些出色的觸覺傳感和摩擦電特性，開發(fā)了一種智能手套，可以捕捉微妙的抓握動作并識別不同的材料。擴(kuò)展TENG陣列并將機(jī)器學(xué)習(xí)集成到自動分揀夾具中，可以進(jìn)一步增強(qiáng)識別對象的多樣性，并將材料識別準(zhǔn)確率提高到99.17%。

圖文解析

圖1. 基于雙功能離子纖維的傳感器模擬人類觸覺感知系統(tǒng)用于物體識別和運(yùn)動捕捉的示意圖。

圖2. 雙功能傳感器的合成原理圖和組成表征。a） 敏感層TPU/ED纖維和柔性電極TPU/MXene/CNTs的制備示意圖。b） 摻雜20 wt%[EMIM][DCA]的TPU/ED纖維的SEM圖像。c） TPU/MXene/CNTs電極的SEM圖像。TPU、TPU/ED和[EMIM][DCA]d）在1250–1850 cm-1和e）在2080–2280 cm-1的傅里葉變換紅外光譜揭示了代表性峰ν（C）的紅移═O） 以及[EMIM][DCA]。f） TPU和[EMIM][DCA]分子結(jié)構(gòu)中氫鍵形成的示意圖。g） TPU、TPU/ED纖維的SAXS圖案顯示，隨著[EMIM][DCA]的添加，聚合物鏈距離增加。h） TPU、MXene/CNT和TPU/MXene/CNTs的O 1s XPS掃描光譜。i） TPU、MXene/CNT和TPU/MXene/CNTs的XRD。

圖3. 基于TPU/ED纖維的觸覺傳感器（TPU/ED傳感器）的傳感機(jī)制和傳感性能。a） TPU/ED傳感器結(jié)構(gòu)和離子電容傳感機(jī)制的示意圖。b） 基于不同[EMIM][DCA]摻雜濃度的傳感器的相對電容隨壓力曲線而變化。c） 0-40 wt.%纖維膜的相對介電常數(shù)和0-40 wt.%IL摻雜傳感器的面電容。d） 摻雜40 wt%離子液體的優(yōu)化TPU/ED傳感器（TPU/ED40傳感器）在3-25 kPa的周期性加載和卸載時(shí)的相對電容變化。e） TPU/ED40傳感器在裝載和卸載過程中的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。f） 感應(yīng)信號對低至1.9 Pa（≈46 mg泡沫）的微小壓力做出反應(yīng)。g） 傳感器對以不同頻率按壓洗耳球產(chǎn)生的微弱氣流的電容響應(yīng)。h） 按順序放置/取1克重物時(shí)檢測微小的壓力變化。（i） 在10 kPa的加載和卸載過程中的循環(huán)傳感性能。在10000次循環(huán)后，沒有監(jiān)測到明顯的性能下降。j） 基于TPU/ED的觸覺傳感器與其他報(bào)道的離子電容傳感器在傳感性能矩陣方面的雷達(dá)圖比較。

圖4. 基于TPU/ED纖維（TPU/ED-TENG）的TENG的工作機(jī)理和摩擦電輸出性能。a） TPU/ED-TENG工作原理示意圖。b） COMSOL Multiphysics軟件模擬了TPU/ED-TENG的相應(yīng)電位分布。c） 開路電壓，d）短路電流，e）在2.2 Hz的工作頻率和10 N的機(jī)械力下，具有不同摻雜IL的TPU/ED-TENG的短路電荷轉(zhuǎn)移。f） TPU纖維和TPU/ED20纖維的平均表面電位的KPFM結(jié)果。g） TPU/ED20-TENG在低壓和高壓范圍內(nèi)的開路電壓隨壓力的變化和靈敏度分別為0.855和0.163 V kPa?1。h） TPU/ED20-TENG的輸出電壓在20000次接觸-分離循環(huán)后沒有退化，表現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。i） TPU/ED20-TENG通過橋式電路對0.33至14.7 μF不同容量電容器的充電曲線。j） 電流、電壓和峰值功率密度與1 MΩ至3 GΩ外部電阻的函數(shù)關(guān)系圖。外部電阻為80 MΩ時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大峰值功率密度。

圖5. a） TPU/ED sTENG對不同材質(zhì)物體的信號輸出。b） 拇指集成的TPU/ED sTENG和TPU/ED傳感器以及其他手指集成的TPO/ED傳感器的示意圖。當(dāng)c）握住由玻璃、陶瓷和硅膠制成的杯子d）按下洗耳球e）握住鐵棒時(shí)，手套上的六個(gè)傳感器的輸出信號變化曲線。

圖6. 機(jī)械夾具系統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)輔助對象識別分類a）安裝有三組單電極TENG和觸覺傳感器的機(jī)械夾具示意圖。b） 傳感器3抓取八個(gè)物體并拾取它們的電容變化曲線。c） 三個(gè)TENG抓取八個(gè)物體100次產(chǎn)生的摩擦電壓的峰值分布。d） LDA繪制了不同數(shù)量的TENG夾持八種材料的數(shù)據(jù)可視化圖。e） TENG 1-3對8個(gè)物體的識別準(zhǔn)確率為99.4%的混淆矩陣。f） 一種用于識別未知對象的MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。g） 基于TPU/ED光纖的傳感器物體識別與抓取系統(tǒng)的電路原理圖。

審核編輯 黃宇