基于摩擦电的多路复用自供电电子皮肤开发

在触觉传感和新兴电子技术领域，大面积、可变形、可拉伸的传感器网络备受青睐。基于摩擦纳米发电机（TENG）的单电极模式自供电触觉传感器因其优异的性能，被认为是理想的解决方案之一。然而，单电极摩擦电传感器在大面积、多路复用应用方面受到限制，这是由于传感节点和高密度内部电路之间的电信号干扰会造成严重的误识别。

据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，苏州大学刘瑞远教授、孙宝全教授团队和台湾中兴大学赖盈至教授团队联合提出一种创新的电信号屏蔽策略，实现了误识别率超低（0.20%）的大面积、多路复用、自供电、无约束摩擦电电子皮肤（UTE-skin）。UTE-skin能够在全向可拉伸应变下稳定工作，可实现高质量的压力成像和多点触摸的实时可视化。研究人员展示了UTE-skin的多项应用，包括用于触觉识别的智能手套、用于步态分析的智能鞋垫以及可适应不同形态的人机界面（HMI）。这项研究成果标志着触觉传感领域的重要突破，为以往难以克服的大面积、多路复用传感阵列难题提供了解决方案。相关研究成果以“Large-area, untethered, metamorphic, and omnidirectionally stretchable multiplexing self-powered triboelectric skins”为题发表在Nature Communications期刊上。

在这项工作中，研究人员提出一种有效的电信号屏蔽策略，成功解决了电子皮肤中传感节点与内部连接线路之间的误识别问题。通过采用可扩展且简单的制造工艺，研究人员实现了各种柔性材料的无缝集成，开发出一种大面积、无约束、可拉伸的多路复用摩擦电电子皮肤UTE-skin。该全向可拉伸UTE-skin（4 × 4阵列，占据25 cm × 25 cm区域）由高度柔性的电子材料制成，包括用作可拉伸摩擦电层和支撑基底的Ecoflex弹性体，作为屏蔽层的炭黑-Ecoflex弹性复合材料，以及电极和电气连接。

图1 无约束摩擦电电子皮肤（UTE-skin）的设计图示

具体而言，通过设计基于导电纳米复合材料的全方位可拉伸和可变形屏蔽层，UTE-skin实现了0.20%的超低误识别率。即使在100%单轴、100%双轴和400%各向同性拉伸应变状态下，UTE-skin也能稳定工作。同时，即使在轻微低频压力下，UTE-skin也能产生显著且稳定的电信号，从而确保其作为自供电机械信号传感的可拉伸传感器网络的可行性。此外，研究人员通过触觉传感成像实验进一步证实了炭黑-Ecoflex复合基屏蔽层在消除误识别方面的有效性，展现了UTE-skin在高空间分辨率下精确定位外部刺激的显著优势。

图2 UTE-skin在单轴、双轴和各向同性拉伸应变下的电性能表征

图3 用于压力映射和触摸识别的可拉伸传感器网络

这种创新设计的UTE-skin能够提供清晰的压力成像和多点触摸的实时可视化。研究人员展示了UTE-skins在用于手势识别的智能手套以及用于步态检测的智能鞋垫中的应用。此外，UTE-skins还支持创建系统级传感平台，用于实现涉及人机界面的沉浸式强化训练，例如实时球形游戏控制器和可穿戴智能手机键盘等。

图4 UTE-skins在智能手套和智能鞋垫中的应用

图5 UTE-skin自供电传感器阵列的系统级应用

综上所述，这项研究工作为开发可扩展、无约束、多路复用自供电电子皮肤奠定了基础，UTE-skin将在触觉传感、人机界面、医疗护理/辅助以及类人/机器人感知等实际应用领域展现出巨大的应用潜力。

审核编辑：刘清