近年来,模拟人体皮肤特性的电子皮肤因在医疗健康、智能机器人和可穿戴设备等领域具有巨大的应用潜力而引起了人们的关注,其中,实现电子皮肤触觉感知功能的柔性触觉传感器更是成为研究的热点。我们调研发现,以往研究,首先,更多关注的是传感器活性层微结构形貌对其性能的影响,而缺少传感器活性层微结构对称性对其性能影响的研究;其次,对于传感器在动态滑动下的性能研究,通常将传感器应用于简单的纹理识别,如区分不同表面纹理的样品或者识别周期性纹理的尺寸,传感器纹理识别应用需要进行进一步研究。
基于此,本文提出一种基于石墨烯和聚二甲基硅氧烷的柔性触觉传感器,该触觉传感器采用两层活性层和一个聚二甲基硅氧烷基底叠加的半圆柱凸起结构,使其在滑动应用中保持高灵敏度和高稳定性。此外,本文通过改变触觉传感器两层活性层的微结构,设计了对称和非对称两种结构的触觉传感器,并通过对比实验,分析传感器活性层微结构对称性对传感器性能的影响,其中,对称结构是指两层活性层的表面具有相同的砂纸映射的微圆顶结构,非对称结构是指两层活性层的表面分别具有平滑结构和砂纸映射的微圆顶结构。本文对比两种结构的触觉传感器在静态按压下的性能（灵敏度、响应范围、响应时间、恢复时间、稳定性）和动态滑动下的性能（滑动识别周期性纹理/单条纹宽度/单条纹高度）,并通过识别光栅线数和铂丝直径来验证真实环境中两种触觉传感器的识别能力。实验表明,在静态按压测试方面,对称结构触觉传感器展现出更高的灵敏度4514.46 k Pa-1,非对称结构触觉传感器展现出更大的响应范围0-8.4 k Pa,而在响应时间（～80 ms）、恢复时间（～80 ms）、稳定性和耐压性方面两种触觉传感器并无明显差异。这些结果说明,在静态按压下,活性层的微结构能够影响触觉传感器的灵敏度和响应范围,但并不影响器件的响应时间、恢复时间和稳定性;在动态滑动测试方面,非对称结构触觉传感器展现出更高的灵敏度和稳定性,能够识别的最小条纹宽度和最小条纹高度分别达到了100μm和20μm。在实际应用方面,通过将两种结构触觉传感器的测量结果与扫描电子显微镜下样品参数对比发现,非对称结构触觉传感器的测量结果更接近真实结果,进一步证明非对称结构的触觉传感器在滑动应用方面更具优势。本文研究为制备高灵敏度和高稳定性的柔性触觉传感器提供了参考思路。
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