基于离电原理的柔性超透明触觉传感器件

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学技术大学苏州高等研究院、中国科学院深圳先进技术研究院与复旦大学紧密合作，基于高灵敏的离电传感机理与折射率匹配策略，研发出当前全球透明度最高的柔性触觉传感器件，从机理上解决了触觉传感中透光度与灵敏度相矛盾的问题，并提出了用于消费电子及医疗健康领域的触觉与视觉深度融合的智能方案。

柔性离电触觉传感机理是通过检测具有压力敏感结构的离子/电子界面处的超电容，实现对压力信号的测量。由于其超灵敏、高信噪比、抗干扰、材料来源广泛等特点，柔性离电触觉传感技术已获得广泛的研究。潘挺睿教授领导的中国科学技术大学苏州高等研究院iMIND团队作为离电传感技术的发明者，在这一领域持续地深入钻研，开发了基于液滴式（Lab. Chip. 2012，12，1110; Lab. Chip. 2014， 14，1107; Lab. Chip. 2014，14，4344）、薄膜式（Adv. Mater. 2015， 27， 6055）、纤维式（Adv. Mater. 2017， 1700253; Adv. Funct. Mater. 2019， 1807343; ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019， 11， 46157）、皮肤式（Adv. Mater. 2018， 1705122）等离电传感器件，并将其广泛应用在健康监测、医疗诊断、人机界面等前沿领域中（Ann. Biomed. Eng. 2014， 42， 2278; Ann. Biomed. Eng. 2016， 44， 2282; IEEE Trans. Biomed. Eng. 2019， 66， 3072; IEEE Trans. Biomed. Eng. 2021， 68， 2776）。

随着柔性电子的不断应用和拓展，柔性触觉传感器在便携电子、可穿戴、健康检测等领域获得了快速发展。在柔性压力传感器中引入高透明的光学特性，可实现触觉和视觉的整合，带来新的功能和应用。由于离子材料，尤其是凝胶类材料本身的高透明特性，基于离电机理的透明柔性触觉传感器也获得了深入研究，现在已经开发了基于离子凝胶涂层、高透明离子薄膜等的透明传感方案（Adv. Mater. 2015， 27， 6055; Adv. Sci. 2020， 7， 2000348）。然而，现有的柔性触觉传感器要在单一结构中实现高透明度和高灵敏度仍然是一大难题。因为提高灵敏度一般采用增加界面粗糙度的方法。但是这种方法不可避免的会提高光线的反射与散射，从而大大降低器件的光学透明度和清晰度。

为了在单一传感结构中同时实现高透明和高灵敏度，本文通过表面结构设计和折射率匹配方案，开发出了一种基于离电原理的柔性超透明触觉传感器件（TIS）。作者选用了高透明的柔性电极、光固化离子凝胶、折射率匹配液作为制备传感器的基本材料。通过微纳加工将离子凝胶表面固化成半球形阵列的微结构，然后将其夹在两片透明电极之间，形成“三明治”型的高灵敏度传感结构。但是当光线穿过传感器内部的半球界面时会发生漫反射和折射，使得传感器的透光率大大降低，同时透过传感器的图像也变得模糊。为解决半球界面的反射问题，论文提出了折射率匹配策略：使用折射率与离子凝胶相等的折射率匹配液填充到半球阵列之间的缝隙中，使半球界面两侧的折射率相等，从而降低光的反射率，提高透光率和图像清晰度。基于这种设计方法，TIS获得了当前柔性触觉传感器中最高的整体透光率（96.9%），同时，通过调控离子凝胶半球阵列的尺寸与密度，可以获得高达83.9 kPa⁻¹的器件灵敏度。

图1 超透明离电触觉传感器的结构与原理示意图

通过将TIS传感器与多种光学元件结合，赋予其触觉感知的功能，实现多种视-触结合的新型智能化应用。通过阵列化的设计，TIS传感器获得了采集压力分布的功能，直接贴合在屏幕表面，使得传统的显示元件获得触觉感知能力。这种新型的一体化元件，可以记录书写文字时不同的力度和书写轨迹，实现3D输入和书写习惯识别等功能；可以直接识别放置其上物体的压力分布图像，用于物体识别，获得基于增强现实的新型人机交互方式。

图2 基于超透明离电触觉传感器的屏上触觉图像采集

小型化的TIS传感器可以直接组装在内窥镜镜头上，使内窥镜获得了光学成像和触觉感知的双重功能，一方面避免了内窥检查时对软组织的意外损伤，一方面可通过压力数据来计算机体组织的硬度，用来辅助判断病变程度。柔软的TIS传感器也可以直接将贴于皮肤表面，以隐形的方式采集包括脉搏波、呼吸、运动等生理参数，为医学健康诊断提供重要数据。因此，高透明、高灵敏特性和优秀的集成性使得TIS在消费电子、工控和医疗设备等的领域上具有潜在的应用前景。

图3 基于超透明离地触觉传感技术的触觉/视觉深度融合的智能内窥镜应用展示

图4 基于超透明离电触觉传感器的可穿戴隐形健康监测