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  觸覺作為人類最基礎(chǔ)的感官之一，始終維系著人體與環(huán)境間高頻度的信息交互。觸覺傳感技術(shù)通過采集壓力、紋理、溫度等多維物理信號，為機(jī)械系統(tǒng)賦予了類生物感知能力。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）在觸覺傳感領(lǐng)域具有巨大潛力。這類傳感器能夠借助柔性材料，直接將觸覺信息轉(zhuǎn)換為電信號，無需外部供電，從而在材料感知方面具有獨特的優(yōu)勢。

  近日，來自華南理工大學(xué)江賽華教授團(tuán)隊的研究者們開發(fā)了一種可穿戴柔性觸覺TENG（FT-TENG）。該器件采用自制的PDMS-EGaIn墨水作為導(dǎo)電電極，可在PDMS基底上直接書寫圖案化柔性導(dǎo)電電路。設(shè)計多層柔性薄膜傳感結(jié)構(gòu)，并配置于機(jī)械手指尖，實現(xiàn)了器件的全柔性化。結(jié)合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（1D-CNN），該器件能以99.53%的準(zhǔn)確率精準(zhǔn)識別多種材料，在表面粗糙度檢測中準(zhǔn)確率可達(dá)85.26%。這些成果彰顯了FT-TENG作為機(jī)器人觸覺傳感器在材料感知領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。該工作以“Wearable Flexible Tactile Triboelectric Sensor Constructed with 3D Printing for Material Perception”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》雜志上，共同第一作者為華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院的碩士研究生宋滔、孔淇、博士研究生李順，其他作者包括戴康、Nour F. Attia、王和堂，文章通訊作者為華南理工大學(xué)江賽華教授。

圖1 FT-TENG 的制備與操作流程

  圖1(a)展示了配置于新一代機(jī)械手指尖表面的FT-TENG裝置示意圖。每個手指覆蓋著具有不同電負(fù)性的摩擦材料層。右側(cè)詳細(xì)呈現(xiàn)了單個 FT-TENG 指尖的三層結(jié)構(gòu)：最底層作為柔性硅膠基底直接接觸機(jī)械手指；中間層通過3D打印涂覆導(dǎo)電PDMS-EGaIn墨水（PE油墨），作為摩擦發(fā)電過程的電極；最上層分設(shè)不同摩擦電材料，以直接在電極表面形成差異化電負(fù)性分布。圖1(b)展示了FT-TENG制備流程。圖1(c)呈現(xiàn)了本研究所用全部材料的摩擦電序，兩種材料間摩擦可產(chǎn)生顯著電壓脈沖特征，有助于FT-TENG應(yīng)用中的材料識別。圖1(d)展示了FT-TENG的兩大應(yīng)用方向：通過摩擦電序和機(jī)器學(xué)習(xí)算法兩種方式識別材料種類和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的材料表面粗糙度識別。

圖2 PE油墨的表征

  圖2(a-d)展示了不同配比（20,30,40,50vol% EGaIn）的PE墨水固化后的SEM圖像。隨著PE墨水中EGaIn合金含量的增加，其在 PDMS中的分散更為致密，從而改善了分散性。這表明可以更有效地進(jìn)行活化處理，確保EGaIn層的導(dǎo)電性。含量50 vol% EGaIn的PE-4電極（固化后的PE墨水）活化前后的微觀形貌如圖2(e-h) 所示，可見活化前EGaIn以較大顆粒體積分散在PDMS中，活化后EGaIn顆粒發(fā)生破碎并呈現(xiàn)更密集的分散狀態(tài)，這使得PE油墨具有更高導(dǎo)電性。PE-1、PE-2、PE-3和PE-4的截面SEM（圖2i-l）顯示出，隨著EGaIn合金含量的增加，PE油墨表面粗糙度上升，層間越發(fā)復(fù)雜。PE-4油墨具有剪切稀化特性，滿足DIW-3D 打印的要求（圖2m-n）。圖2o了展示PE油墨的斷裂伸長率均超過正常皮膚應(yīng)變范圍（50%），說明其具備良好的皮膚共形能力。圖2（p）表明1至2次100%拉伸足以使固化后的PE油墨激活為有效導(dǎo)體。為闡明PE導(dǎo)體作為摩擦層與電極的輸出性能，將商用 RTV 硅膠與 PE 導(dǎo)體結(jié)合制成簡易摩擦電傳感器，結(jié)果見圖2(q)和圖2(r)：在頻率恒定的拍打下，輸出電壓隨接觸力增大而升高；而當(dāng)接觸力固定,拍打頻率變化時，器件輸出電壓幅值保持不變。

圖3 用于材料識別的可穿戴柔性觸覺TENG傳感器的設(shè)計、制備與測試

  基于PTFE、芳綸、PET、PA66四種摩擦層材料構(gòu)建的FT-TENG，貼合手掌且具備觸覺感知與材料識別功能（圖3a-b）。選取硅膠、PI、PVC、鋁、PU作為待測材料。圖3(c)展示了當(dāng)不同摩擦電序的待測材料接觸PTFE摩擦層的電壓信號特征，電負(fù)性強(qiáng)于PTFE的材料產(chǎn)生先負(fù)后正（如硅膠），弱于PTFE的材料先正后負(fù)（如PI、PVC、鋁和PU）的脈沖信號特征。同理，通過不同材料在FT-TENG上產(chǎn)生的摩擦信號確定其在摩擦電序中的相對位置，從而實現(xiàn)區(qū)分待測材料種類的功能（圖3d-f）。此外，FT-TENG在高溫、低溫、潮濕等極端環(huán)境下，仍能保持良好性能（圖3l-q），并通過200次拉伸循環(huán)測試驗證了其機(jī)械穩(wěn)定性（圖3r-s）。

圖4 基于FT-TENG的材料類型與粗糙度識別

  使用FT-TENG食指部位摩擦層以不同頻率對4種不同粗糙度的45號碳結(jié)構(gòu)鋼樣本和6種不同粗糙度的ABS塑料材料進(jìn)行摩擦，產(chǎn)生的摩擦電信號分別如圖4(c-e)和圖4(f-g)所示，表明其可實現(xiàn)材料表面紋理感知，且在響應(yīng)速度和識別受限空間材料方面具有發(fā)展?jié)摿Α樘嵘?/span>FT-TENG智能化程度，開發(fā)了基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）的識別模型。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和訓(xùn)練測試（訓(xùn)練集與測試集按8:2比例劃分），粗糙度識別最高準(zhǔn)確率達(dá)85.26%，材料識別準(zhǔn)確率達(dá)99.53%（圖4i-k），證明了FT-TENG作為智能觸覺傳感器的卓越效能。

  總結(jié)：該工作展示了基于3D打印技術(shù)構(gòu)建的可穿戴柔性觸覺摩擦電傳感器的潛在應(yīng)用，為機(jī)器人觸覺傳感在材料感知領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種新的思路。該工作得到廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費、天津市消防安全技術(shù)重點實驗室開放基金、國家自然科學(xué)基金以及廣東省自然科學(xué)基金的支持。

江賽華教授簡介：

  江賽華，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授，2014年博士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，同年獲得香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，曾在2017-2020年間于賓夕法尼亞大學(xué)從事博士后研究工作。研究方向主要為智能安全傳感、新能源與材料安全技術(shù)及理論研究。主持國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃專題、科技部外國專家項目、廣東省自然科學(xué)基金、中國博士后基金、公安部重點實驗室項目、廣州市科技項目等30余項科研項目，參與多項國家重點研發(fā)計劃及973計劃項目。在Advanced Functional Materials, Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of hazardous materials、Journal of Materials Chemistry A 等國際期刊共發(fā)表 SCI 收錄論文130余篇，授權(quán)發(fā)明專利18項，登記軟著1項，省部級科技成果登記1件。研究論文得到同行的積極評價（引用數(shù)累計超過5000次，h-index 為41）。研究成果獲中國安全生產(chǎn)協(xié)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎、中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎二等獎等獎勵多項。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472504759X