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澳門大學(xué)周冰樸團(tuán)隊(duì) Adv. Mater. : 基于仿生磁化微脊結(jié)構(gòu)的“粘-滑”過程重構(gòu)
2025-03-21  來源：高分子科技

  指尖掃描特定表面時(shí)發(fā)生的“粘-滑”現(xiàn)象，對于感知皮膚和表面之間的相互作用至關(guān)重要。手指與表面滑動(dòng)接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦作用會使得皮膚反復(fù)經(jīng)歷切向形變以及快速恢復(fù)的過程，觸覺神經(jīng)則將上述過程編碼為神經(jīng)電信號傳遞給大腦，用于判斷“粘-滑”現(xiàn)象發(fā)生與否以實(shí)現(xiàn)對表面特性的定性反饋。了解“粘-滑”行為對于智能觸覺傳感器等柔性仿生系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義，而如何實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)剪切形變及相應(yīng)電信號輸出則對器件設(shè)計(jì)具有較高的要求。



  近期，澳門大學(xué)周冰樸教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由磁化三明治狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)和柔性銅線圈組成的仿生觸覺傳感器，用于研究與特定表面接觸時(shí)的“粘-滑”現(xiàn)象。該結(jié)構(gòu)的上層是主要用于固定線圈的非磁化聚二甲基硅氧烷(PDMS)層，底層是與目標(biāo)表面相互作用的磁化薄膜，脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)組成的可變形層被封裝在頂層和底層之間。當(dāng)器件掃描特定表面時(shí)，柔性脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)在拉伸過程中會變形，并在底部基材與目標(biāo)表面之間的靜摩擦力達(dá)到最大值時(shí)迅速恢復(fù)；該恢復(fù)過程中磁通量會快速變化，從而在柔性線圈中產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電流峰值。器件與接觸表面的連續(xù)相對滑動(dòng)接觸時(shí)，反復(fù)的形變和快速恢復(fù)過程，則會在柔性線圈中產(chǎn)生一系列電流峰值信號用于實(shí)時(shí)監(jiān)測“粘-滑”現(xiàn)象（圖1）。器件與表面產(chǎn)生粘滯與滑動(dòng)周期性交替發(fā)生的原因，主要是由于接觸過程中靜、動(dòng)摩擦力交替轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的。為了更精確的描述“粘-滑”行為，研究團(tuán)隊(duì)對單個(gè)脊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析，并且將其簡化為彈簧模型用于研究影響相鄰電流峰值時(shí)間間隔的因素（圖2）。寬度（W）、高度（H）和剪切模量（G）是磁性脊的三個(gè)重要物理參數(shù)，它們對器件感知“粘-滑”過程中產(chǎn)生的電流脈沖周期的影響趨勢被展示在圖3中。除了柔性結(jié)構(gòu)的本身的參數(shù)，滑動(dòng)掃描過程施加給器件的速度和壓力等測試參數(shù)也會對電流峰值周期造成影響（圖4）。相比于光滑干燥的表面，當(dāng)待測表面被潤濕或粗糙度增加時(shí)會改變器件所受到的摩擦力，使得粘滑現(xiàn)象被完全滑移現(xiàn)象取代，周期性的電流脈沖也逐漸消失（圖5）。


圖1 用于粘-滑感知的三明治脊?fàn)罘律呕瘋鞲衅魇疽鈭D。


圖2 (a) 粘滑過程中柔性傳感器及(b) 單個(gè)脊結(jié)構(gòu)的簡化受力模型示意圖。


圖3 (a) 仿生脊結(jié)構(gòu)的高徑比及(b) 材料的剪切模量對電信號周期的影響。


圖4 (a) 法向力及(b) 掃描速度對電信號周期的影響。


圖5 (a) 具有不同潤濕區(qū)域的表面示意圖及(b) 器件掃過不同區(qū)域的電流信號。


  總結(jié)：這項(xiàng)研究引入了一種具有獨(dú)特剪切形變恢復(fù)能力的磁化仿生脊結(jié)構(gòu)，可模擬人類指尖滑過表面時(shí)的動(dòng)態(tài)粘-滑狀態(tài)。該工作系統(tǒng)研究了各種關(guān)鍵因素對“粘-滑”過程中感應(yīng)電流信號周期的影響，不僅增加對指尖掃描特定表面時(shí)產(chǎn)生的相互作用的了解，也為未來探索更多維度的可穿戴觸覺傳感器奠定了基礎(chǔ)。該工作以“Revisiting the “Stick-Slip” Process via Magnetism-Coupled Flexible Sensors with Bioinspired Ridge Architecture”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2025, 2417867），論文的第一作者為澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院博士生方丹。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202417867

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