供稿人：张菁华 李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-10-14
柔性触觉传感器在电子皮肤、智能机器人、健康监测等领域具有巨大潜力。然而，在现有的电子皮肤研究中，缺乏关于检测不同程度表面粗糙度的柔性触觉传感器的研究，在微观尺度上区分表面粗糙度仍是一个挑战。
中国科学院上海高等研究院的研究团队受到人类手指纹理的启发，通过模拟人体皮肤的结构和传感机制，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）微球与石墨烯相结合，设计出了一种3D打印柔性触觉传感器，旨在通过对触觉信号的处理来检测各种级别的表面粗糙度。
图1 触觉传感器设计原理和打印流程。(a)PDMS-石墨烯复合油墨的制备流程图；(b)传感器层3D打印示意图；(c)通过处理触觉信号区分不同粗糙度表面示意图
研究人员利用乳化的方法制备了PDMS微球，并且通过利用未交联的PDMS-石墨烯混合溶液对PDMS微球形成包覆，制备的石墨烯-PDMS微球油墨可以通过喷头挤出形成三维立体结构，并通过热固化成型。所构建的具有石墨烯-PDMS微球结构的触觉传感器显示出优异的综合机械性能，传感层的断裂伸长率为70%，响应时间为60ms，灵敏度达2.4kPa-1，循环稳定性优异。此外，这种多功能性和灵敏度使电子皮肤不仅可以准确监测压力，还可以区分具有微尺度差异的各种表面形貌，并检测空气流体。
图2 (a)激光加工表面S1、S2、S3、S4的3D形貌；(b)不同表明的平均粗糙度Sa；(c)手指对不同粗糙度表面的触觉响应实验结果示意图；(d)手指与不同表面之间的平均摩擦系数；(e)用于测试电阻变化的实验装置；(f)在压力载荷作用下，不同粗糙度表面上的摩擦力曲线；(g)摩擦力作用下的电阻变化响应
这项研究表明所构建的石墨烯-PDMS微球触觉传感器不仅可以检测不同粗糙度的表面，应用到电子皮肤中，还可以扩展到其他应用，例如气流监测和声音检测等。