人體皮膚通?梢詫(duì)觸覺(jué)信號(hào)的強(qiáng)度與位置同時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的感知。而對(duì)于模擬人體皮膚結(jié)構(gòu)與功能的柔性電子皮膚,其對(duì)壓力位置的感知通常依賴于高密度傳感陣列的制備,后端數(shù)據(jù)處理以及顯示裝置的集成,這種方式在降低數(shù)據(jù)直觀性的同時(shí),其額外的電路設(shè)計(jì)與對(duì)外接顯示設(shè)備的依賴也大大抵消了柔性電子在便攜性與成本方面的優(yōu)勢(shì)。另一方面,在電子皮膚中引入原位壓力可視化功能模塊,不僅可以提供所施加載荷的空間信息,還可以為輸入信息提供更加直觀的感知與交互平臺(tái)。
目前,在電子皮膚上實(shí)現(xiàn)壓力可視化的策略通常包括壓力驅(qū)動(dòng)的發(fā)光與變色。通過(guò)壓力調(diào)控發(fā)光二極管內(nèi)部的能帶結(jié)構(gòu),可以通過(guò)發(fā)光二極管光強(qiáng)與顏色的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力分布的顯示。然而這種方法盡管可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率,但像素化陣列設(shè)計(jì)對(duì)加工工藝有著較高要求,并且像素點(diǎn)之間的串?dāng)_也會(huì)顯著降低光學(xué)對(duì)比度。而通過(guò)電阻式壓力傳感器串聯(lián)電致變色器件,以歐姆分壓的方式調(diào)控電致變色器件的偏壓,通常只能引起顯示裝置的整體變色,而非壓力載荷的空間分布,因此提供的壓力位置信息非常有限。
這一體系不僅可以顯示靜態(tài)壓力分布,并且可以對(duì)動(dòng)態(tài)壓力軌跡進(jìn)行追蹤。其空間分辨率可達(dá)1mm以下,顏色對(duì)比度可達(dá)160nm。而通過(guò)調(diào)控器件的電壓方向,可以對(duì)顯示的壓力分布圖進(jìn)行多次擦除以及重置(圖2a)。而在電學(xué)傳感中,這一體系也可以在20kPa范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的電容信號(hào),壓力分辨率可達(dá)2Pa,響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.06秒。這種對(duì)壓力的電/光雙模響應(yīng)可以在監(jiān)測(cè)表皮信號(hào)中實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚形變大小與位置的同步監(jiān)測(cè),相對(duì)于傳統(tǒng)柔性壓力傳感器可以提供更加豐富的生理信息(圖2b)。
本工作提供了一種壓力傳感與顯示的全新策略,擺脫了傳統(tǒng)壓力顯示裝置對(duì)傳感陣列以及像素化顯示裝置加工的依賴。實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、分辨率與對(duì)比度的電-光雙模壓力傳感,有望為基于電子皮膚的智能器件設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互提供新的思路。
文章信息:Boyuan Shao?, Shun Zhang?, Yunfei Hu?, Zetao Zheng, Hang Zhu, Liu Wang, Lingyu Zhao, Fang Xu, Luyang Wang, Mu Li, Jidong Shi* Nano Lett. 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04755
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c04755
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