电子皮肤即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器,是一种用于实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。该类器件在消费电子、军事、医疗健康等领域具有极大的应用潜力。相对于听觉、视觉而言,触觉感官的模仿十分困难,因为模拟触摸感觉需要发展高空间分辨率、高灵敏度、快速响应和大尺寸的压力传感器阵列,并且为了模仿自然皮肤的触觉感知特性,必须发展大面积柔性高像素力传感器阵列。新型可穿戴柔性仿生触觉传感器的出现,为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段,不仅更加符合人类对于细微虚拟现实场景中的操作习惯,同时也更好地适应了人类较为敏感的外部神经,以达到更好的体验感和交互性,是一种非常接近真实自然的三维交互手段。
最近,中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室研究员沈国震课题组与中国人民解放军总医院教授姜凯合作,成功研制出一种基于石墨烯材料的新型柔性触觉传感器,实现了类似人体皮肤功能,可快速感知微小压力变化,从而构筑了具有高灵敏度和高稳定性的人造仿生电子皮肤。该器件具有极好的传感特性,其灵敏度能够达到15.6 kpa-1,响应时间在5 ms, 可循环工作10万次以上。即使对轻如一根羽毛、一粒大米等物体所带来的压力变化也具有很好的响应。这种仿生电子皮肤已经被尝试应用在医学领域,实验室目前将该仿生电子皮肤应用于对脉搏、语音等人体生理信号的实时快速检测,通过对人体说话时喉部肌肉群运动产生的微弱压力变化及脉搏波形变化分析,初步实现了语音识别和人体不同生理状态的准确检测,有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面获得广泛应用。同时为了进一步模拟人体触觉感觉,实验室制备出大尺寸触觉传感器阵列,成功模拟出不同物体力的分布。
该项工作为电子皮肤、可穿戴人体健康监测系统提供了一个新的思路。经过进一步的研究和改进,有希望突破传统柔性多维触觉阵列传感器由多个触觉传感器单元组成的组合式阵列等结构形式。从而实现柔性多维阵列触觉传感器既具有类似于人体皮肤的柔韧性,又具有获取三维方向力信息的功能。该项工作得到了国家自然科学基金等项目支持。研究成果发表在nano energy (doi: 10.1016/j.nanoen.2016.02.053)期刊上。
