在人類皮膚內(nèi)的緩慢適應(yīng)（SA）受體中，SA-I（Merkel cell）和SA-II（Ruffini organ）在順應(yīng)性感覺(jué)中起關(guān)鍵作用。前者以高分辨率測(cè)量施加在皮膚上的靜壓，而后者則能夠檢測(cè)皮膚的伸展。隨著可拉伸材料和微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，報(bào)道了能夠檢測(cè)溫度以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力的柔性傳感器。由于順應(yīng)性傳感器是一種重要的感測(cè)塊，因此需要對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)并將其集成到人造皮膚上，以為假肢或機(jī)器人系統(tǒng)提供類似人的感覺(jué)。然而，已有的四種傳感機(jī)制（轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀取的電信號(hào)）的傳感器外部組件（精密光學(xué)測(cè)量組件等）體積龐大，因此將這些傳感器用于需求緊湊的外形尺寸的應(yīng)用中仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。此外，順應(yīng)性傳感設(shè)備復(fù)雜是因?yàn)槠湫枰瑫r(shí)測(cè)量施加的壓力和變形信息兩個(gè)參數(shù)以檢測(cè)物體的順應(yīng)性。在沒(méi)有耦合效應(yīng)的情況下，將壓力和應(yīng)變傳感器集成也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。如要開(kāi)發(fā)可集成到人造皮膚或機(jī)器人系統(tǒng)中的順從性傳感器，則需要滿足以下要求：1）應(yīng)該具有易于集成的緊湊型尺寸；2）不需要大型外部組件或集成系統(tǒng)中的重大結(jié)構(gòu)更改；3）傳感器應(yīng)該具有解耦可靠性能。
基于此，斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種仿生的、薄順應(yīng)性傳感器。利用該傳感器可同時(shí)檢測(cè)人體皮膚中類似于SA-I和SA-II的壓力和應(yīng)變，而無(wú)需任何笨重的外部組件且不會(huì)占用相當(dāng)大的體積。為了模擬SA-I和SA-II的拉伸和壓力感應(yīng)能力，研究人員將基于薄膜的應(yīng)變傳感器（MBSS）耦合到壓力傳感器，以識(shí)別接觸的材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該混合傳感器可以同時(shí)捕獲所接觸材料的表面變形和所施加的壓力。通過(guò)利用基于電阻和電容的傳感器，研究人員為MBSS開(kāi)發(fā)了兩種不同的傳感方法。例如，當(dāng)分別測(cè)試模量為75 GPa和20 kPa的材料時(shí)，電阻傳感器的靈敏度為11 Ω/N和104 Ω/ N。同樣，對(duì)于類似材料，電容式傳感器的靈敏度分別為80 fF/N（femtofarad Newton）和1280 fF/N。同時(shí)，還展示了通過(guò)減小薄膜的厚度可以調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，尤其是需要更高的分辨率時(shí)。此外，傳感器的薄型和小尺寸使其能夠應(yīng)用于不同的應(yīng)用中。首先，將傳感器集成到機(jī)械手的手指上，并能確定抓握物體的順應(yīng)性。其次，通過(guò)構(gòu)建陣列傳感器能夠繪制出由不同材料制成的物體的表面圖，對(duì)于檢測(cè)組織內(nèi)部的不規(guī)則物體（如腫瘤）非常有用。
【圖文解析】
研究人員提出了一種雙層感測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)這種緊湊的順應(yīng)性傳感器。其中，第一層由可拉伸薄膜組成以檢測(cè)被觸摸材料的表面變形，第二層由壓力傳感器組成。通過(guò)對(duì)齊和層壓柔性層可以制造傳感器陣列。應(yīng)變傳感器（MBSS）由相對(duì)于柱狀結(jié)構(gòu)上的圓形開(kāi)口對(duì)齊的基于電容或電阻的應(yīng)變傳感器組成。當(dāng)MBSS與材料接觸時(shí)，它會(huì)隨著接觸壓力的增加而變形。同時(shí)，由壓力傳感器測(cè)量施加的壓力。結(jié)合MBSS和壓力傳感器的輸出，可以為每個(gè)對(duì)象計(jì)算出靈敏度（S，應(yīng)變響應(yīng)與壓力響應(yīng)的比值），而S可以區(qū)分不同柔順性的材料（S較大即代表柔順性更高的材料）。
研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)了有限元（FE）模型，以確定傳感器的重要幾何和材料特征以及對(duì)不同順應(yīng)性的材料的響應(yīng)。當(dāng)半徑從0.5 mm增加到2 mm時(shí)，MBSS的撓度增加了4倍以上。通過(guò)將MBSS的模量從0.25 MPa變到2 MPa時(shí)，位移沒(méi)有顯著差異。當(dāng)使用半徑為1 mm且厚度為50 μm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜識(shí)別模量為0.25和1 MPa的材料時(shí)，其靈敏度幾乎提高了兩倍，而10 MPa的材料對(duì)徑向應(yīng)變幾乎沒(méi)有響應(yīng)。在小的變形狀態(tài)中，變形的增加會(huì)增加薄膜的曲率，從而導(dǎo)致電容的增加。進(jìn)一步使薄膜變形，電極之間的間隙由于拉伸而增大，并主導(dǎo)了曲率效應(yīng)，電容開(kāi)始減小。
研究人員利用了彈性體PDMS來(lái)產(chǎn)生具有不同模量的材料。同時(shí)，還測(cè)試了三種不同的PDMS比例，即PDMS（10: 1）、PDMS（25: 1）和PDMS（50: 1），厚度都為3 mm，通過(guò)單軸壓縮測(cè)試確定楊氏模量分別為2.02±0.18、0.39±0.038和0.0247±0.0017 MPa。當(dāng)傳感器與更柔順的材料接觸時(shí)，傳感器的響應(yīng)靈敏度更高。對(duì)于PDMS（50: 1）、PDMS（25: 1）、PDMS（10: 1）和玻璃測(cè)得的S值分別為104±7.8、75±6.1、47±2.4和11±0.94 Ω/N。對(duì)不同材料的順應(yīng)性傳感器的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)更順應(yīng)性的材料產(chǎn)生了更高的S。通過(guò)測(cè)試相同厚度（3 mm）的各種物體，這些物體均支撐在剛性基板上，且根據(jù)材料的楊氏模量能夠顯示出S的顯著差異。因此，在材料尺寸未知的情況下，傳感器輸出S可用于根據(jù)其柔度進(jìn)行分類。
最后，研究人員制備了一個(gè)獨(dú)立的感應(yīng)單元，其由一個(gè)面積為1×1 cm2的RMB傳感器組成，并集成在機(jī)器人手指的一側(cè)。在機(jī)器人手指之間放置不同的材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電容達(dá)到最大極限時(shí)，機(jī)械手手指就會(huì)停止并重新開(kāi)始沿相反方向移動(dòng)，以釋放所抓取的材料。對(duì)于順應(yīng)性材料，在類似的作用力下，最大電阻值會(huì)增加。該結(jié)果證明了該傳感器可用作機(jī)器人手指上的順應(yīng)性傳感器的能力。此外，還開(kāi)發(fā)了兩種不同的順應(yīng)性映射器件，以顯示傳感器在假體應(yīng)用中的適用性。對(duì)于這兩種測(cè)試，接觸更柔順材料的像素具有相對(duì)較高的S值。對(duì)于這兩種情況，順應(yīng)性傳感器都能夠?qū)Σ牧系捻槕?yīng)性進(jìn)行分類，從而證明該器件具有潛在的假肢傳感器的功能。
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https://www.pnas.org/content/early/2020/05/07/1909532117
