南方科技大学郭传飞高性能电子皮肤的研发及其应用

　　近期，深圳市智能传感器产业联盟副理事长单位代表、南方科技大学教授、国家特聘专家（青年项目）、广创团队带头人郭传飞教授在中科院深圳先进技术研究院发起的＂感•智＂活动直播中，介绍了高性能电子皮肤及人机融合方面的研究。
　　电子皮肤可以将外界刺激转化为电信号，是机器人触觉和健康医疗领域的重要器件。郭传飞专注于超灵敏、大量程、高线性电子皮肤的研发，提出了多种器件结构设计策略，为电子皮肤的多种性能的协同提供了一些新思路。
　　同时，其团队十分关注电子皮肤在高剪切、高压力等条件下的服役稳定性，提出了同质一体化设计策略，在获得高传感性能的同时，大幅提升了器件的工作稳定性。
　　郭传飞已在   Nature Materials  、  Nature Communications  、  PNAS   等学术期刊上发表论文 130 多篇；申请专利 40 余件，授权 24 件，其中包括美国专利授权 4 件；参与编写英文专著 2 部。他在柔性电子学方面的研究成果曾被中外媒体广泛报道。
　　图 | 郭传飞（来源：郭传飞）
　　电子皮肤是什么？它是一类可以将外界刺激转化为电信号的传感器，而跟很多传感器不一样的地方在于，电子皮肤比较柔软（更利于安全交互），尽管其他传感器也能把外界的一些刺激转化为电信号，但它所用的材料大都较硬，在很多应用方面会受到限制。
　　电子皮肤一个很重要的特点就是能进行力信号、外物识别两方面的传感，另一方面它也能进行健康与运动监测。
　　总结来说，目前电子皮肤有两大应用平台：监测人体健康（需要进行人和电子器件的融合研究）和机器人触觉（需要提升机电性能）。这些研究不仅涉及电子皮肤本身，还包括电子信息、AI 等多领域的交叉融合。
　　＂比如说我们正在做关于人的假肢各方面的研究。现在的假肢多是用类似于金属的材料做的。未来我们希望使用像人一样软的材料，＂郭传飞讲道，＂这种假肢具有反馈、处理功能，人能通过它像我们人手一样感知物体。＂
　　他还补充说，这个信号不能到假肢就停了，它最终要传到人的大脑。其中一个方式是通过其他地方的皮肤刺激，或者是直接通过神经，当然后面这种技术是比较困难的。另外，这种假肢甚至能进行一些额外的健康监测。未来他们可能会做类似这样的系统，并已经做了相关技术储备。然后，电子皮肤帮助机器人做处理，也是其一项主要工作。
　　关于电子皮肤这种传感器目前面临的一些问题，首先这其中应用最为广泛的一类是电容型传感器，一般它是两个柔性电极中间加一个介电层。该介电层是一个软材料，一般越软的材料在发生形变的时候，它的体积不会变化（不可压缩性）。这就会影响到器件的灵敏度。
　　另外，若软材料形变更快可以压缩，便会有较强的黏粘性，从而影响到器件的响应速度。
　　那怎么解决这两个看似矛盾的问题？据了解，2010 年，斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南引入了微结构，提升了软材料的响应速度和灵敏度。微结构之间的空隙是空气，空气可以压缩，所以它可以提高材料的压缩性，增强其发生形变的能力。
　　值得一提的是，由于这个微结构还能够存储能量，跟电机的粘附面积较小，所以这种方式也可以提升响应速度。但是这种器件的响应灵敏度仍然比较有限。
　　那怎么解决这个问题？普通的传感器要发生传感，中间一层要发生形变，假设其中起决定关键性作用的是它的厚度，即便做了一些微结构，它的厚度也不可能变化很多倍。这就导致它的信号变化范围比较小，一般来说在一倍以内。
　　对于此，在 2012 年，当时是美国加州大学戴维斯分校生物医学工程系终身正教授的潘挺睿（现为中国科学技术大学与苏州高等研究院讲席教授），发现如果在两个电极之间放一滴液滴，可以和电极之间形成双电层（一种特殊的电容，电荷间距在 1nm 内），电荷密度大幅提升。
　　它的电容大小跟接触面积正相关，所以把问题简化了。要改变一个材料的厚度，成千上万倍不太可能，但把接触面积改变成千上万倍是非常简单的。只要在它表面做一些微结构就可以实现。
　　因此，郭传飞团队考虑是否能在该方面做相关研究。他们早期做了一些离子凝胶，通过一些仿生结构，无需用昂贵的微纳米加工技术就可做微结构。该传感器的性能在当时是远超其他传感器的。
　　然后，随着压力的增大，传感器（包括电子皮肤和人的皮肤）的压力分辨能力下降，一个根本的原因在于材料本身的硬化。
　　这也是郭传飞团队工作的一个核心。他们之前的工作大多是用的一种稳定结构（容易发生硬化），而若是采用一个非稳定的结构，其发生形变，最终还是会形成一个稳定的结构。
　　郭传飞等后想到，让非稳定结构发生可持续、自适应的形变。用这种方式，就能有效地缓解局域的应力集中和结构硬化，从而实现一个在很宽压力范围内的良好响应。研究人员把该结构称为非稳态自填充结构。用这种结构生产的传感器在高压下仍然能获得很高的灵敏度，比此前的压力至少提升了两个数量级。
　　因此他们解决了一个传感器灵敏度不足的非常关键的问题，远超过了商业上的一些硬质传感器。比如把他们的传感器贴在汽车轮胎下，当将一袋纸放进后备箱（带来的压力改变非常小），传感器仍能产生十分明显的信号效应。
　　而且，该传感器还有电容密度特别高的优势，可以更好地做微型化，比如做到 50um，并能获得非常高的一个信噪比。微型化还有一个特点就是响应快，既能检测到静压力，又能检测到高频信号，信号里面则有着丰富的信息，可以检测一些很精细的结构。像我们用手摸衣服，能知道它是一种什么样的布料。
　　郭传飞团队也做了一些相关的测试，实验证实他们的传感器做物体识别，可以达到 99% 的识别准确度。
　　另外，材料的结构硬化带来信号的饱和，逐渐饱和是一个非线性的过程。那怎么解决这个非线性的问题？
　　事实上，对于很多的传感都需要获得一个线性响应。郭传飞等发现如果能够用一些方式，比如增加接触面积，来补偿结构硬化带来的信号饱和。那就可以获得一个线性响应。经测试，确实可以达到一个很好的效果，并可以将其应用到机械手的抓取操作方面。
　　他们还做了一种互锁结构方式，实现接触面积的补偿。这里的互锁结构不是普通的，而是一个多级互锁结构，大结构上面有小结构，通过这个结构的匹配来实现接触面积的线性增加，并获得线性响应。郭传飞团队也用它做了一些应用尝试，比如用于电子天平称量、机器人抓取物体等，同时结合机器学习，对于不同物体抓取识别，能达到比较高的准确度。
　　然后，引入微结构虽然可以一定程度提升传感器的灵敏度，但会带来光散射效应。在解决这个问题上，郭传飞团队在微结构之间添加了离子液，实现离变形传感，并用它做成了一个比较大面积的传感器，不仅十分灵敏，透光度也在 90% 以上。
　　＂我们用它做了一个隐形手环，并且做了一些电路，上面有各种各样的按键，在这个手环上可以进行拨打电话和通话，＂郭传飞谈到，＂除此之外，还可以用将它用于智能窗测风速、风向等等。＂
　　另外一方面，对于一些可拉伸的电极，它的应变往往比较大，会带来一些褶皱，尤其是对于一些双层结构电极。郭传飞团队发现，如果一个硬和软结构，硬材料的泊松比大于二时，去挤它，不会有褶皱。然后，他们用特定方法做出一些电极，即便引入非常高的压应变，其上也不会产生褶皱，可一直保持比较透明的状态。
　　传感器（电子皮肤）要和机器人融合，里面其实还有很多问题。其中一个是力学适配问题。如果做一个软的抓手，怎么把电子皮肤贴在上面，抓几次之后可能这个传感器就很容易掉。除了这个问题，传感器本身也有很多问题。传感器里面有很多层，比如说电极层，中间的介电层或者是中间的离子凝胶。
　　要想实现不同的功能，一般需要用到不同的材料。郭传飞团队考虑用同一种材料体系，来实现不同的功能。他们采用了 PDMS（聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane）弹性体，在里面掺入了碳纳米管。这个材料体系都是一个 PDMS 和其复合材料，属于同一体系，比较容易将它们融合在一起。他们使用了一种拓扑胶黏的方法，把一些微结构界面和电极之间进行无缝连接。
　　这样的界面有好很多好处。它有很好的韧性，不容易分离，韧性跟本体材料几乎一样高，界面强度也很高。可将传感器进行扭曲、弯曲、拉伸等等。
　　＂能做到这样一个稳定性，首先我们引入了一个可以拉伸很长、不会产生裂纹的微结构，就算真的会断掉，也不会一下子突然断，口子不会一下变得很大。比如把我们的电子皮肤贴在汽车轮胎上，车在马路上开了一圈之后，它的信号依然非常稳定。＂郭传飞表示。
　　值得注意的是，很多时候为机器人设计的传感器会用到人身上，而这有时会忽略人的生物学特征，比如人的皮肤需要透气，材料甚至可能有毒性。所以没有考虑这些问题的传感器贴附在人的手上，可能会带来一些炎症等问题。
　　最后，郭传飞提到，他们这种微结构的电极设计，会带来许多好处。比如贴在人身上，汗液会通过微结构渗出去，而在走路或运动的时候去测脉搏信号，这个外部信号还是比较稳定的，并有很好的抗干扰性能。同时，还能把脉搏信号和运动信号分别提取出来，也能进行可穿戴应用（智能手套），帮助糖尿病患者等恢复触觉功能，或者检测不同的物体（气球、烧杯等），所以，其传感器的未来应用价值极高。
　　关于【深圳市智能传感器产业联盟（筹）】
　　2022 年 1 月深圳市发布《深圳市科技创新＂十四五＂规划》，明确 ＂20+8＂技术主攻方向，智能传感器是新一代电子信息产业的五大战略性新兴产业之一。由深圳市工业和信息化局、南山区政府、光明区政府指导和支持，中国科学院深圳先进技术研究院联合产业多方资源，共同发起组建深圳市智能传感器产业联盟。旨在推动传感器技术创新，促进广东省、深圳市智能传感器产业创新发展，加快培育智能传感器产业集群，集聚智能传感器产业专家和产业资源。
　　关于【感·智】
　　＂感•智＂是深圳市智能传感器产业联盟（筹）为响应深圳培育发展出壮大＂20+8＂产业集群、促进深圳市传感器产业创新发展而推出的产业交流系列活动，依托于络绎科学和 DeepTech 的社群、媒体资源，＂感 • 智＂将定期组织技术论坛、主题沙龙、研讨会、对接交流等各类活动，旨在构建深圳市智能传感器产业链沟通机制，推动供需对接与技术革新，形成优势互补，促进产学研用多主体深度交流与合作，培育传感器产业创新生态体系。