快速發(fā)展的機(jī)器人、人機(jī)界面設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備需要結(jié)構(gòu)緊湊且用戶友好設(shè)計(jì)的機(jī)械柔性、高靈敏度壓力傳感器。離電式壓力傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，有望作為觸覺反饋接口，在虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

近日，中東技術(shù)大學(xué)（Middle East Technical University，METU）的研究人員開發(fā)出一種纖維素基超分子生物聚合物凝膠（SBPG），具有高離子電導(dǎo)率和優(yōu)異的剛度，這些特性被轉(zhuǎn)化為具有1475000 kPa?1超高靈敏度的離電式壓力傳感器。研究人員利用八個(gè)基于超分子生物聚合物凝膠的離電式壓力傳感器制備了智能手套原型，基于觸覺反饋算法，該智能手套在物體識(shí)別方面可實(shí)現(xiàn)90%的分類精度，驗(yàn)證了該技術(shù)的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。

在這項(xiàng)工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)異電化學(xué)性能和高剛度的介電層是實(shí)現(xiàn)離電式壓力傳感器高性能的關(guān)鍵條件。通過廣泛的化學(xué)和電化學(xué)表征，研究人員優(yōu)化設(shè)計(jì)了離電式壓力傳感器的介電層。介電層由基于羥乙基纖維素（HEC）、甘油和氯化鈉（NaCl）的超分子生物聚合物凝膠構(gòu)成，HEC和甘油分子的自組裝經(jīng)過優(yōu)化，可獲得最高可能性的離子電導(dǎo)率（9.85 × 10?? S/cm）和具有足夠剛度的面電容。傳感器介電層的這一根本性突破，使得制備業(yè)界領(lǐng)先的超靈敏離電式壓力傳感器成為可能。

超分子生物聚合物凝膠的表征

這項(xiàng)研究工作制備的離電式壓力傳感器具有前所未有的靈敏度（1475000 kPa?1）和穩(wěn)定性，傳感器峰值工作功率為4 μW。在16 kPa壓力下，傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為63 ms和35 ms。在1 ~ 30 kPa的各種循環(huán)載荷下，傳感器展示出良好的可重復(fù)電容響應(yīng)特性。該傳感器可以成功解析1 ~ 2 Pa的微小壓力以及50 ~ 100 Pa的中等壓力。通過壓縮循環(huán)測(cè)試和彎曲循環(huán)測(cè)試，驗(yàn)證了該傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性和信號(hào)穩(wěn)定性。此外，在不同的相對(duì)濕度條件下，該傳感器表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的壓力響應(yīng)。

離電式壓力傳感器的表征

基于該離電式壓力傳感器，研究人員制備了智能手套原型，展示了這種傳感器的超高靈敏性能。該智能手套基于八個(gè)傳感器單元制造，傳感器連接使用導(dǎo)電纖維，傳感器被放置在指尖和手掌的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，可以檢測(cè)被握物體對(duì)這些特定區(qū)域所施加的壓力。結(jié)果表明，這種智能手套依靠壓力傳感器獲得的觸覺反饋，可以高精度地區(qū)分形狀相似但大小和重量不同的物體。由于這種離電式壓力傳感器前所未有的靈敏度，該智能手套僅使用八個(gè)傳感器單元即可實(shí)現(xiàn)90%的分類精度。

基于超分子生物聚合物凝膠的離電式壓力傳感器用于智能手套

總而言之，在這項(xiàng)工作中，研究人員通過廣泛的化學(xué)和電化學(xué)表征，優(yōu)化設(shè)計(jì)了離電式壓力傳感器的超分子生物聚合物凝膠介電層。這種設(shè)計(jì)策略還可以擴(kuò)展到其它電化學(xué)器件，例如電池和超級(jí)電容器等，以實(shí)現(xiàn)前所未有的器件性能?；谶@種優(yōu)化設(shè)計(jì)的超分子生物聚合物凝膠介電層，研究人員制備了超高靈敏度（1475000 kPa?1）的離電式壓力傳感器，將該傳感器集成在智能手套中，可用于通過觸覺反饋?zhàn)R別物體。實(shí)驗(yàn)證明，該智能手套僅使用八個(gè)傳感器即可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率、精確率和召回率，凸顯了這種方法在人機(jī)交互和機(jī)器人環(huán)境中開發(fā)觸覺傳感應(yīng)用的潛力。