仿生触觉传感器研究进展

触觉传感器是仿生皮肤丰富感知能力特点的柔性电子器件和系统,在机器人触觉系统和人体健康检测两大领域有重要应用前景.前者赋予机器人触觉等通过非视觉方式感知环境的能力,后者通过柔性器件贴附在皮肤上实现对脉搏、血压、心电、肌电等生理健康参数检测.从柔性、自愈合电子材料的研究,到器件结构设计,再到多功能系统集成等几个方面,仿生触觉传感器件和系统不断迭代发展,凭借其柔软、可拉伸的特性,赋予人机交互器件的穿戴舒适感,也让许多传统的监测或佩戴设备更便携、更日常化,在医疗检测设备、可穿戴式电子设备、健康大数据等领域都展示出巨大的潜力和应用前景.本文回顾了近年来仿生触觉传感器领域的研究进展,并展望其未来发展和应用方向.     

石墨烯气凝胶全柔性触觉传感器的设计、组装及性能

针对柔性触觉传感器存在的设计难度大、抗干扰性差、不易封装以及线路布置困难等问题,基于Storakers材料模型的应变能密度函数发展了一种基于石墨烯气凝胶(graphene aerogel, GA)的具有“气泡膜”结构的全柔性触觉传感器的设计方法.通过模拟分析发现,相对于“三明治”结构,“气泡膜”结构的GA柔性触觉传感器具有更好的抗干扰性.在此基础上,设计并组装了“气泡膜”结构的GA全柔性触觉传感器,通过实验证实该GA全柔性触觉传感器具有优异的传感特性、力学特性和抗干扰特性.同时,设计开发了压阻式传感阵列的信号采集系统,并成功实现了其对力的大小、物体位置和形状等信息的实时采集和传感监测.     

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.     

一步法制备核壳结构的碳纳米管

采用微波辅助多元醇还原法一步制备了纳米镍和包覆镍的多壁碳纳米管.利用拉曼光谱仪、透射电子显微镜、X 射线衍射仪和振动样品磁强计等测试手段对产物的拉曼光谱、形貌、物相和磁性进行分析. 结果表明, 当有黑色悬浮物镍出现, 继续反应, 由于镍金属的微波涡流效应产生的电火花, 可合成碳纳米管. 研究发现, 所制备的碳纳米管是多壁的, 管径约为18~20 nm. 该镍/碳纳米管核壳结构的磁滞回线有别于单一的纳米镍.     

仿生软体吸附机器人:从生物到仿生

生物吸附是自然界中一种典型的运动模式,许多生物在进化中由于生存背景和物种的不同演变出各种各样的吸附系统,吸附系统是功能系统,其目的是让生物暂时或永久地附着在基体或另一个生物体上,防止脱落.生物系统的吸附机制可分为互锁、摩擦和黏结.黏结可进一步分为干吸附(范德华力)、湿吸附(毛细作用)、负压吸附、胶合(黏液),它们可独立或同时作用.基于自然界丰富的吸附方式,本文详细介绍了陆上/水下典型生物(壁虎、树蛙、章鱼、鮣鱼)的吸附机理,并对清道夫、海胆、蚍蜉幼虫、跳蛛、叶甲虫幼虫等生物的吸附机理进行简述.概述依据上述特定吸附机理而设计的仿生吸附装置,从仿生软体吸附机器人、仿生软体吸附设备、仿生吸附软材料结构等方面,对仿生吸附的研究成果进行列举,并提及部分性能研究和应用前景.以仿生鮣鱼吸盘为例,阐述了如何模拟生物系统制作仿生样机,并验证其性能,挖掘其潜在应用.对生物吸附方式分类归纳,总结被其带动的仿生吸附研究意义、发展现状和面临的问题,并指出仿生软体吸附机器人吸附机理细微化、结构刚柔耦合、仿生复合软材料应用、柔性驱动-传感-控制一体化、多学科交叉融合的发展方向.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

基于石墨烯/PEDOT:PSS复合材料制备的可穿戴柔性传感器

随着智能设备的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景.电阻式柔性应变传感器因具备较高的灵敏度与良好的生物兼容性等优点使其成为受关注的电学传感器.本文基于溶液共混法,制备一种新型的石墨烯(GR)/PEDOT:PSS多组分混合墨水材料,用直写喷墨打印技术制备了"电阻式"柔性应变传感器.该传感器以聚酰亚胺(PI)柔性薄膜为基底材料,以GR/PEDOT:PSS多组分混合墨水为导电材料,通过直写喷墨打印技术在柔性基底上打印导电图形.实验利用SEM、电学测试平台等表征手段分析了不同的GR掺加量对复合墨水材料性能与打印工艺的影响.实验结果表明:采用乙醇超声分散的GR材料可有效分布在PEDOT:PSS中,进而改善其在导电聚合物中的分散性;提高打印速率可明显降低线宽;随着GR掺加量的增大,柔性传感器阻值逐渐降低,器件的灵敏度下降;由此推断出相对疏松、分散性较好的墨水材料更有利于灵敏度的提高;提高柔性传感器的深宽比,可显著提高传感器的灵敏度.当弯折角度为80°时,电阻变化率(R/R0)最高为3.414,有望应用于柔性可穿戴设备新兴领域.     

蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展

蜻蜓是自然界最优秀的飞行者之一,其通过翅膀的形态、构形、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,展现出优异的功能特性,为航空航天飞行器和仿生微扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供了天然的生物蓝本.近年来,国内外学者在蜻蜓翅翼的几何结构、材料特性、飞行机理及翅翼飞行时的控制方式等方面的研究取得了一定进展,有力助推了蜻蜓翅翼不同层面的仿生应用.本文简述了蜻蜓翅膀的飞行、自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性,阐释了蜻蜓翅膀的形态、构形、结构、材料等与其功能特性之间的内在关系,分析了蜻蜓翅膀功能特性仿生研究的态势并展望了其应用前景.     

一种新型Pd纳米团簇/TiO_2纳米管复合结构氢传感器的室温氢敏特性研究

将TiO_2纳米管和Pd纳米团簇相复合,用金属Ag作电极,制备出一种新型Pd纳米团簇/TiO_2纳米管复合结构氢传感器,采用SEM对复合结构的微结构进行表征,分析表明Pd纳米团簇孤立地沉积在TiO_2纳米管的管口顶端,XRD对复合材料的晶型分析表明,经过500℃的退火处理,无定型的TiO_2已经转变为锐钛矿和金红石晶型,在室温下,这种复合结构的氢气传感器对不同浓度的氢气具有优异的响应性能,在8000 ppm的氢气浓度下,传感器的响应时间为3.8s,灵敏度为92.05%,利用TiO_2纳米管的表面结构和金属Pd团簇的复合结构特性,可以制备得到在室温下具有响应时间短、灵敏度高等特点的氢气传感器.     

以镍/碳纳米管催化剂制备碳纳米管

碳纳米管由于具有较大的比表面积, 一定的化学稳定性, 其表面性质可以通过不同的酸或碱处理改变, 这决定了纳米碳管能够作为催化剂的载体材料. 通过对比碳纳米管负载的镍基催化剂和硅藻土负载的镍基催化剂在合成碳纳米管试验中的活性和选择性, 发现镍/碳纳米管催化剂合成的碳管直径均匀, 中空较大, 与镍/硅藻土催化剂合成的碳管质量相当, 但产量提高了1.5倍. 碳纳米管载体优异表现应归因于其较大的比表面积和合适的孔分布和孔结构.     

基于碳纳米管薄膜的吸附式气体传感器的研究

研究了低温低压化学气相沉积(LPCVD)法生长的多壁碳纳米管薄膜对气体的敏感性. 结果表明纯的多壁碳纳米管薄膜对气体没有明显的气敏特性, 而碳纳米管-二氧化硅复合薄膜表现出对甲烷、氢气和乙炔的敏感性. LPCVD法生长的多壁碳纳米管-二氧化硅复合薄膜由于Schottky结的形成而具有电容性, 被测气体在多壁碳纳米管表面发生化学吸附, 从而调节Schottky结处存在的空间放电区域而导致介电常数改变是其对气体敏感的主要原因.     

柔性薄板翼流固耦合振动噪声风洞试验研究

柔性结构在风场中会发生流固耦合振动,其噪声特性要比流场中刚性结构气动噪声更为复杂.通过声学风洞试验,对比研究了流固耦合作用下不同柔性薄板翼模型的气动噪声特性.试验表明,随着结构柔性增加,薄翼气动噪声声压级对风速和迎角变化更加敏感.柔性平板翼噪声的频谱特性和声源位置都与刚性翼明显不同.研究发现,在特定迎角和风速下气动噪声强度会突然显著增强.给出了流固耦合作用下的平板翼气动噪声变化初步规律,为相关流固耦合振动噪声理论分析和数值模拟提供了试验支撑.     

阶梯轴-柔性盘耦合系统振动特性分析

传统的地面旋转机械轮盘类结构刚度较大,在转子动力学分析中多将其假定为集中质量点,而在航空发动机中为了满足减重的需要,轮盘较为轻薄,其柔性不可忽略.目前针对转轴和柔性盘耦合系统振动特性的研究还较少,为了弥补这一研究的不足,本文结合假设模态法和有限单元法,采用有限元-半解析混合建模法,建立了阶梯轴-柔性盘的动力学模型,其中阶梯轴采用铁木辛柯梁模拟,柔性盘则使用半解析方法建模,基于Lagrange方程和Galerkin方法,推导出系统的运动微分方程;然后分析了在静止和旋转状态下阶梯轴-柔性盘耦合系统的固有特性,并采用ANSYS软件仿真和模型实验验证了所开发模型的有效性;最后分别在刚性盘和柔性盘假设下,求解对比了系统的幅频响应,揭示柔性盘对系统高阶振动的影响规律.     

仿生蜻蜓脉膜折纸结构的压缩性能研究

折纸结构具有折叠诱发的独特力学特性,在机器人、航空航天、材料科学等诸多工程领域有广泛的应用前景.基于膜结构设计的Kresling折纸承载能力小、折叠路径不稳定的不足,本研究利用蜻蜓脉膜的刚柔耦合结构进行仿生设计.以软质硅胶为膜、硬质树脂内嵌为脉,形成柔性软膜与刚性内嵌互相包被的二级刚柔耦合类Kresling折纸结构.该折纸结构具有变刚度特性,有优异的折叠特性和较高的折叠比.准静态压缩试验结果表明,有内嵌折纸结构折叠路径单一稳定,轴向压缩量与层间转角呈现单自由度结构的特征.相对于无内嵌折纸结构,刚性内嵌限制了峰折折痕的屈曲,可显著提升其力学性能,其中n=4的构型中有内嵌结构支反力极大值提高了60.87%.同时,其支反力具有迟滞性,折纸结构具有稳定的滞回耗能特性,在1000次加载-回复循环后仅下降3.60%,未发生显著降低.     

世界研究开发动态与评论

新传感器技术带来新机遇新的传感器技术正在将检测变量变为现实,而在最近之前探测变量还十分困难和昂贵。这一领域的专家确信,未来几年将会有三种技术产生革新:纳米传感器,无线传感器,以及3D视觉传感器。小型传感器并不新鲜;微机电系统(MEMS)压力传感器,加速测量感应器,旋度感应器,都已经应用了很多年;大多数轿车的充气袋就是由MEMS加速度感应器触发的。然而现在,基于纳米技术的化学传感器显示出巨大的潜力。一个例子是来自Nanomix公司的纳米技术传感器阵列,CEODavid Macdonald说,可以构成普适的检测平台能够对广泛的物质进行检测,同…     

新型纳米复合水凝胶的可控制备及应用

纳米复合水凝胶作为一种柔性有机无机两相复合材料,充分利用了水凝胶及无机纳米粒子各自的物理化学功能以及两者之间的协同增益作用,从而可适应于更复杂的应用条件及满足更多样化的应用需求.本文综述了新型纳米复合水凝胶可控制备的设计思路以及在探测检测、环境保护、能源开发、生物医学等领域方面的应用,并对其未来发展进行了展望.     

压电电子学及其仿生智能传感

在低维压电半导体材料(比如ZnO和GaN)中,压电极化和半导体电子传输特性的耦合可以给器件带来预想不到的性能.这大大提高了研究人员对压电电子学这一新兴领域的兴趣.另外低维压电半导体材料拥有优异的机械特性,可以被集成到能够应对巨大应力的柔性器件中,外部的机械刺激为柔性器件运行中的电荷-载流子传输,载流子的产生、复合以及分离提供了新的调制方法.本综述回顾了压电电子学的基础理论,不同维度材料体系中的压电电子学,压电电子学晶体管的分类,及广义压电电子学晶体管的应用方面的最新研究进展,并对将来的研究方向进行了深入讨论.     

Ag-Ag_2S/MoS_2的制备及在无酶电化学过氧化氢传感中的应用

本文设计并制备了一种用于无酶电化学过氧化氢传感的新型银-硫化银/硫化钼复合材料(Ag-Ag_2S/MoS_2).通过将单独合成的MoS_2水分散液和Ag纳米分散液进行混合,利用自组装的方法实现了Ag-Ag_2S/MoS_2复合材料的制备.结果发现, Ag-Ag_2S纳米颗粒均匀生长在由多层片状MoS_2堆积形成的花瓣上, Ag_2S主要存在于Ag纳米颗粒和MoS_2片层的接触界面处.将此复合材料用于电化学传感时,修饰的电极表现出诱人的无酶电化学H_2O_2传感性能,不但具有极宽的线性区间范围(0.01～160 mmol/L),而且保持很好的灵敏度17.1μA (mmol/L)~(-1)cm~(-2)和较小的最低检测限4.8μmol/L.这种优良的性能归因于Ag, Ag_2S颗粒和MoS_2片层三者间的协同作用:Ag和MoS_2本身都具有良好的过氧化氢催化活性, Ag纳米颗粒和1T相MoS_2能显著提高复合材料的导电性能,界面形成的少量Ag_2S为Ag和MoS_2间的电子传输提供了通道.进一步的分析表明,这种基于Ag-Ag_2S/MoS_2复合材料的传感器还表现出卓越的选择性、良好的稳定性和重现性.     

高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

单晶硅基底上制备定向生长碳纳米管阵列的研究

采用热化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备出了定向性好、与基底结合牢固的碳纳米管阵列, 研究了制备工艺对定向生长碳纳米管阵列薄膜的影响. 研究发现: 生长温度在750℃, 催化剂厚度在10 nm左右易于形成定向生长的碳纳米管薄膜. 在混合气中乙炔的浓度为27%(体积百分比)时, 可以获得管型准直、管壁较厚、与基体结合牢固的碳纳米管阵列. 另外, 对于碳纳米管的定向生长机制及提高其与基体之间的结合力的方法进行了初步探讨.