一種納米壓電仿生電子皮膚的研究

《一種納米壓電仿生電子皮膚的研究》是依託西安交通大學，由劉衛華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：一種納米壓電仿生電子皮膚的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉衛華
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

納米壓電電子器件（nanopiezotronic device）是利用壓電電勢產生的內建場將半導體性納米材料（如ZnO）的機械學和電子學行為耦合起來，而構造出的一類新型電子器件。這類器件可對壓力或形變產生主動的電信號輸出，具有自獲能特徵，即發電型器件。本項目旨在實現一種仿生指尖皮膚觸覺功能的發電型納米壓電觸覺感測器，將納米壓電電子器件作為感測器的變換器集成於作為感測器敏感彈性元件的柔性凸點下，通過柔性凸點承受的被測壓力來感知接觸物表面的形貌信息。採用垂直定向ZnO納米線作為變換器的核心材料，製作出陣列式納米壓電觸覺感測器的變換器。通過微壓印或噴墨技術在陣列式納米壓電變換器上製作對應的柔性凸點。柔性凸點既作為壓電變換器的保護層，也作為傳遞壓力的敏感彈性元件，功能類似指紋。希望通過本項目的研究，推動納米壓電電子器件套用技術的發展，研製出一種全新的柔性納米壓電仿生電子皮膚。

結題摘要

觸覺感測器在人工智慧技術、義肢、虛擬現實技術以及微創外科手術等領域均有著重大的套用需求。在智慧型化的電子皮膚中集成一種具有“觸摸”功能的觸覺感測器，對於幫組機器人更好的與環境互動，幫組截肢患者重獲觸覺，虛擬現實中實現觸覺信息遠端再現，以及幫助外科醫生在手術中準確判斷組織健康狀況等具有重要的價值。本項目旨在研究實現一種仿生指尖皮膚觸覺功能的發電機型觸覺感測器，將納米發電機作為感測器的變換器集成於作為感測器敏感彈性元件的柔性凸點下，通過將柔性凸點承受應力變化轉換為電脈衝信號來“感知”接觸物表面的形貌信息。為人工智慧皮膚的實現提供了一條新的技術思路，並探索出一種新型仿生觸覺感測器的實現途徑。 項目研究實現了一種納米發電機型觸覺感測器。這種感測器可以將物體表面的紋理信息和物體相對器件的滑動信息轉換為一系列的脈衝電信號。這種納米發電機型觸覺感測器包括兩部分：一個封裝在PDMS中的納米發電機，其功能類似觸覺神經；一個由包裹PDMS的細銅絲構成的柔性凸起作為人工指紋。當器件滑過有一定紋理的物體表面時，人工指紋被擠壓釋放，其應力傳遞給下方的納米發電機，從而輸出系列的電脈衝。項目開發的原型器件成功實現了對排線的毫米量級規則紋理和無紡布表面0.2毫米的凹凸結構的探測。當器件在同樣的條件下反覆掃過物體表面的同一區域時，其輸出脈衝序列能完美的再現，器件表現出良好的穩定性。測試結果同時還表明，電脈衝的幅值和頻率與壓力和滑動速度有良好的對應關係。 這一結果顯示，通過合適的信號處理，可以從器件輸出的電脈衝信號中提取豐富的觸覺信息。項目已開始驅動電路的設計與開發，搭建了板級電路。為將來專用驅動積體電路奠定了基礎。 總之，通過項目實施，實現了一種新型的具有主動脈衝信號輸出能力的觸覺感測器，達到了項目的預期目標。這種觸覺器件的主動脈衝信號輸出更接近生物觸覺系統的工作模式。這種新的工作原理，將有利於其在虛擬現實、義肢和人機界面等領域的套用。