通過使用一種在金屬涂層的彈性體微結(jié)構(gòu)上生成獨特的三維納米尺度裂紋形態(tài)的方法，展示了一種由軟材料制成的近磁滯無壓阻傳感器系統(tǒng)。當施加較大的壓縮壓力時，該方法解決了許多使用軟材料的電子傳感器蒙皮所面臨的固有機電滯后的主要挑戰(zhàn)。

由柔性復合材料制成的壓阻傳感器可跟蹤變形，并具有小于3%的滯后性，可以可靠地用作醫(yī)療可穿戴設(shè)備，用于測量小塊皮膚上的脈搏波速度。還證明了低滯后特性可以實現(xiàn)機器人應用在紡織品表面上的表面紋理的準確可靠的單點觸摸分類。

電子皮膚對于實時健康監(jiān)控和機器人的觸覺感知至關(guān)重要。盡管使用軟質(zhì)彈性體和微結(jié)構(gòu)改善了觸覺傳感器的靈敏度和壓力感應范圍，但軟質(zhì)聚合材料的固有粘彈性仍然是導致循環(huán)滯后的長期挑戰(zhàn)。這會導致接觸事件之間的傳感器數(shù)據(jù)變化，從而對準確性和可靠性產(chǎn)生負面影響。

在接觸力學理論的指導下，新加坡國立大學(NUS)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所助理教授本杰明·泰(Benjamin Tee)領(lǐng)導的研究小組提出了一種新的傳感器材料，該材料的磁滯明顯更少。此功能可實現(xiàn)更準確的可穿戴健康技術(shù)和機器人感應。于2020年9月28日在享有盛名的《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences )上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

可以將撓性TRACE傳感器貼片放置在皮膚上，以測量淺動脈的血流量。

高靈敏度，低滯后壓力傳感器

當軟材料用作壓縮傳感器時，它們通常會面臨嚴重的磁滯問題。在重復觸摸之間，軟傳感器的材料屬性可能會發(fā)生變化，這會影響數(shù)據(jù)的可靠性。這使得每次獲取準確的讀數(shù)都具有挑戰(zhàn)性，限制了傳感器的可能應用。

NUS團隊的突破是發(fā)明了一種具有高靈敏度但幾乎沒有滯后性能的材料。他們開發(fā)了一種在稱為聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性材料上將金屬薄膜裂解成所需環(huán)形圖案的工藝。

TRACE傳感器貼片可用于機械手的手指上以進行紋理識別。

該團隊將這種金屬/ PDMS膜與用于壓阻傳感器的電極和基板集成在一起，并對其性能進行了表征。他們進行了反復的機械測試，并驗證了他們的設(shè)計創(chuàng)新提高了傳感器性能。他們的發(fā)明稱為抗觸覺環(huán)狀裂紋電子皮膚(TRACE)，是傳統(tǒng)軟材料的五倍。

"憑借我們獨特的設(shè)計，我們能夠顯著提高準確性和可靠性。TRACE傳感器可潛在地用于機器人技術(shù)中以感知表面紋理或可穿戴式健康技術(shù)設(shè)備，例如用于測量淺表動脈的血流以進行健康監(jiān)測"，同時也是國大材料科學與工程系的Tee助理教授說。

下一步

NUS團隊的下一步是進一步提高其材料在不同可穿戴應用中的適應性，并基于傳感器開發(fā)人工智能(AI)應用。

"我們的長期目標是通過放置在人體皮膚上的微小智能貼片的形式來預測心血管健康。這種TRACE傳感器向著這一現(xiàn)實邁進了一步，因為它可以捕獲的脈搏速度數(shù)據(jù)更加準確，并且還可以配備機器學習算法，以更準確地預測表面紋理。"

NUS團隊旨在開發(fā)的其他應用包括在假肢中的使用，在假肢中，可靠的皮膚界面可實現(xiàn)更智能的反應。