触觉传感器在物联网和可穿戴设备中发挥着关键作用。然而，虽然目前的触觉传感器可以精确测量压力，但简单制造具有广泛测量范围和多功能的可拉伸高性能触觉传感器仍然是一个挑战。
图1 （a）双模传感器的同轴打印示意图； （b）双模传感器用于定位； （c）双模传感器用于材料识别。
厦门大学材料学院白华教授和薛昊副教授团队提出了一种墨水直写3D打印方法，用于制作新型同轴电缆结构的可拉伸双模触觉传感器。3D打印的同轴纤维具有由硅橡胶和聚四氟乙烯微粉触变剂组成的可打印外皮和由聚乙烯醇和氯化钠组成的离子导电溶液的内芯。同轴纤维具有优异的导电性（0.54 S cm−1）和优异的拉伸性，拉伸率高达390%。两根纤维的交集构成了一个双模触觉传感器，它可以在摩擦电或电容模式下工作，两种模式具有不同的动态范围，二者互补，使得器件整体测量动态范围从0.0003到0.4517 N。此外，通过结合两种模式的信号，传感器可以识别与传感器接触的材料。由经纬交织同轴纤维制成的3D打印触觉传感器阵列网络能够准确检测与阵列多点接触的位置。该双模多功能触觉传感器可广泛应用于物联网和可穿戴设备等各种应用。该工作以“3D Printed Stretchable Coaxial Fiber Grid for Dual-mode Multifunctional Tactile Sensor Array”为题发表在《Nano Energy》上（Nano Energy 2024,109895）。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
图2 双模多功能触觉传感器阵列的实际图和力学性能。
触觉传感器可以在电容模式和摩擦电模式两种模式下工作。这两种模式分别基于传感器变形引起的电容变化和摩擦电效应。电容模式下，在两根同轴纤维的交叉位置，PDMS/PTFE外壳作为中间层分离PVA离子导体形成电容器。交叉位置的压缩引起传感器几何形状的变化，使得电容变化（图3）。摩擦电模式下，同轴纤维与物体紧密接触时，电子基于摩擦电效应在接触面之间传递。分离后，PTFE-P层外表面与PVA/NaCl溶液之间产生感应电压，产生感应电流（图4）。在0.45 N的力下，可以观察到31%的电容变化和1 V的摩擦电输出电压。双模传感的集成大大提高了触觉传感器的性能。灵敏度数据表明，摩擦电模式对低压（< 0.1 N）具有高灵敏度，而电容模式对高压（> 0.1 N）具有高灵敏度和线性度。
通过结合摩擦电和电容模式的信号可以识别与传感器接触的材料种类（图5）。触觉传感器的电容信号与接触传感器的材料无关。然而，在摩擦电传感模式下，电压信号受到接触材料种类的影响。两种感应模式对不同材料的不同响应使作者能够识别不同的材料。通过电容信号调节施加的力保持在标准值，收集标准值下的摩擦电信号建立微型数据库。测试阶段控制压力为标准值，将摩擦电信号与预先建立的数据库进行比较，以确定接触材料的种类。在该工作中，作者准确识别了PP和PVDF的材料类型。
3D打印的触觉传感器阵列网络能够准确检测受力位置。电容模式下传感器阵列的位置测试如图6a所示。将砝码分别置于坐标（2,2）和（3,4）的传感器上，图中显示出相应的电容信号，而周围信号较小。此外，电容式传感模式还实现了形状定位。当对传感器阵列施加“L”形压力时，相应像素点的电容都发生变化，在图中呈现“L”形（图6d）。摩擦电感测模式也可用于检测力的位置。通过扫描所有通道，得到单个电压信号。将相应的纵横纤维的电压信号相乘，得到每个交叉位点的输出信号。当按压（1,1）、（4,3）、（5,2）处的传感器时，图中对应传感器的信号大于3 V，而其他传感器的信号在0.02 V左右。结果表明，触觉传感器阵列的摩擦电模式也能够精确地定位力的位置。
该传感器阵列展示了测量压力，检测力的位置和识别材料的多功能功能。同时，传感器通过简单的设计适合大规模制造，具有健康监测、智能机器人等相关技术的应用潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109895
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