據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，廈門大學(xué)吳德志教授、王凌云教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京控制工程研究所的研究人員共同提出一種采用超彈性模型和赫茲接觸模型進(jìn)行對(duì)比的主動(dòng)設(shè)計(jì)策略，以開(kāi)發(fā)具有高度可定制靈敏度和線性度的柔性壓力傳感器。
基于該傳感器優(yōu)越的機(jī)電性能，展示了其在生理信號(hào)識(shí)別方面的潛在應(yīng)用。
該設(shè)計(jì)策略將為下一代可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景提供更多可定制的工作范圍和線性靈敏度。
a）本研究開(kāi)發(fā)的靈敏度和線性度可定制的傳感器設(shè)計(jì)概念；b）基于微結(jié)構(gòu)的傳感器工作機(jī)理；c）基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精度為10μm的多級(jí)突起主動(dòng)設(shè)計(jì)
觸覺(jué)壓力傳感器在柔性電子產(chǎn)品中具有重要意義，具有多尺度層次特性的不規(guī)則微結(jié)構(gòu)被動(dòng)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)有壓連續(xù)變形提供了最佳解決方案。以往，已有研究人員將轉(zhuǎn)印的自然界微結(jié)構(gòu)模板（例如花粉粒或花瓣、人體皮膚、砂紙、kirigami圖案）或MEMS制造的人工圖案用于制造壓阻式傳感器的有源層。
不過(guò)，這種被動(dòng)設(shè)計(jì)策略缺乏基于基本接觸原則或模型的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致目標(biāo)性能受限，使得在所需的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高度可定制的靈敏度和線性度仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，以主動(dòng)而非被動(dòng)的方法來(lái)定制微結(jié)構(gòu)，有望從根本上解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)適當(dāng)?shù)睦碚撚?jì)算，可以進(jìn)一步明確微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和空間參數(shù)。
該項(xiàng)工作中，研究人員基于敏感材料超彈性力學(xué)特性，提出一種新的微結(jié)構(gòu)主動(dòng)設(shè)計(jì)策略。與簡(jiǎn)單地在超彈性材料上應(yīng)用赫茲接觸可能導(dǎo)致彈性接觸偏移不同，研究人員改進(jìn)的接觸理論模型可以參考相應(yīng)的有限元分析（FEA）仿真更精確地預(yù)測(cè)變形參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微型傳感器的目標(biāo)設(shè)計(jì)和性能實(shí)現(xiàn)。
a）帶有MWCNT/PDMS敏感薄膜的傳感器示意圖；b）柔性壓力傳感器的制造工藝：c）多級(jí)突起的3D表面掃描圖像；d）具有不同靈敏度的靈敏度定制層SEM圖像
研究人員設(shè)計(jì)制備了三個(gè)傳感器原型，這些傳感器原型在預(yù)定的工作范圍（約200 kPa）內(nèi)表現(xiàn)出高度可定制的靈敏度（0.7、1.0和1.3 kPa?1）和高線性度（R?≈0.99），特別是在預(yù)定壓力下具有明顯的抗飽和補(bǔ)償。
此外，傳感器原型還具有12.5/37.5 ms的快速響應(yīng)/釋放時(shí)間、35 Pa的微小檢測(cè)限（LOD）以及超過(guò)10000次重復(fù)加載/卸載循環(huán)的良好可重復(fù)性。這種直接、主動(dòng)的設(shè)計(jì)理念將賦能更多以需求為導(dǎo)向的應(yīng)用場(chǎng)景（包括可定制的工作范圍和線性靈敏度）。
a–c）Δ I/I0與施加壓力（范圍為0~200 kPa）關(guān)系表明，基于超彈性機(jī)制的預(yù)制目標(biāo)靈敏度分別為0.7、1.0和1.3 kPa?1；d）半徑為300 μm的均勻微結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度性能；e）檢測(cè)限度；f）傳感器的響應(yīng)/釋放時(shí)間；g）?2~2 V電壓下的歐姆特性；h）10000次加載/卸載循環(huán)下的傳感可重用性
此外，研究人員成功展示了該柔性壓力傳感器在動(dòng)態(tài)活動(dòng)和手勢(shì)識(shí)別方面的潛在應(yīng)用，驗(yàn)證了通過(guò)這種主動(dòng)的設(shè)計(jì)策略，可以靈活計(jì)算、預(yù)設(shè)計(jì)和制造具有所需靈敏度和線性度的柔性壓力傳感器。未來(lái)，基于該設(shè)計(jì)策略的柔性壓力傳感器有望通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)成為人機(jī)交互的首選。
a–b）下肢關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)時(shí)的生理信號(hào)變化；c）用于手勢(shì)信號(hào)識(shí)別的傳感器連接位置；d）五種測(cè)試手勢(shì)；e）基于微結(jié)構(gòu)的傳感器在執(zhí)行測(cè)試手勢(shì)時(shí)記錄的周期性電阻變化；f）由10倍機(jī)器學(xué)習(xí)得到的權(quán)重區(qū)分混淆矩陣，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率>86.0%；g）二元交叉熵?fù)p失用于評(píng)估損失函數(shù)有效性，插圖顯示了快速算法收斂下的預(yù)測(cè)精度
該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目以及精密轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
審核編輯：劉清