随着仿生人形机器人等智能装备的快速发展，具有仿人手指触感功能的柔性触觉传感器技术受到广泛关注。然而，现有多模态柔性触觉传感器所用敏感材料还缺乏选择性响应能力，导致其所输出信号易产生相互交叉干扰的现象，难以满足系统轻量化、集成化的发展需求。基于此，本研究设计并制备了一种新型聚氨酯-碳纳米管@碲化铋(WPU-CNT@Bi2Te3)复合气凝胶敏感材料，通过组分比例优化，其最大压缩应变可达60%、压缩强度为9.4 kPa。进一步，其中CNT的压阻效应可实现对机械压力刺激的响应，而Bi2Te3的热电效应则能够快速响应外界温度的变化，基于这两种独立感知机制，所构建的柔性触觉传感器实现了对压力与温度的高灵敏感知(压力GF值为–1.28 kPa–1，温度响应灵敏度为1.2 K–1，最小感知温差0.4 K)，具有快速(压阻响应时间为0.14 s、恢复时间为0.18 s，温度响应时间最快为0.28 s)、高稳定(1300次热循环输出值不衰减)且互不干扰的响应能力，并赋予了所集成机械手对物体软硬及温度等性质的感知功能。
研究背景
柔性触觉传感器是智能系统人机交互的关键，多模态型更具应用价值。但现有产品存在信号串扰、材料对多模态刺激选择性响应不足等制约，如部分传感器虽能感知温度、压力，却难以在复杂场景有效解耦信号。为此，本工作拟以水性聚氨酯为基底，通过CNT表面原位生长Bi2Te3纳米片并结合冷冻干燥策略，构建WPU-CNT@Bi2Te3复合气凝胶敏感材料，探索其在柔性触觉传感器中对压力与温度的无干扰感知性能与机制，最终实现与机械手集成的实际物体感知功能，为解决多模态柔性触觉传感器瓶颈提供新途径。
本文亮点
1. 本工作开发了一种新型聚氨酯-碳纳米管@碲化铋(WPU-CNT@Bi2Te3)复合气凝胶敏感材料。
2. 聚氨酯-碳纳米管@碲化铋(WPU-CNT@Bi2Te3)复合气凝胶实现了对压力与温度的高灵敏感知(压力GF值为–1.28 kPa–1，温度响应灵敏度为1.2 K–1)。
3. 聚氨酯-碳纳米管@碲化铋(WPU-CNT@Bi2Te3)复合气凝胶赋予了所集成机械手对物体软硬及温度等性质的感知功能。
图文导读
SEM形貌分析图表明，经冷冻干燥所制备的WPU-CNT@Bi2Te3复合材料体系内部形成了致密的三维多孔结构，呈现出典型的气凝胶形貌特征(图1(a, b))。其中，WPU与HEC分别作为基底材料与交联剂，与均匀分散的CNT@Bi2Te3形成了紧密结合的界面形态，从而构建了良好的连续导电网络结构。TEM结构表征图显示，复合体系中Bi2Te3为具有完整晶格结构的单层纳米片形貌，且其与CNT形成了良好的相互交织的网络结构，及连续的相互融合的界面结合状态，该结构有利于构建高效的载流子传输通道，进而提升复合材料体系的导电性与热电性能(图1(c))。此外，EDS元素分布结果显示(图1(d))，Bi2Te3纳米片是在CNT表面均匀生长，形成了连续密实接触界面结构，有利于热致载流子与电子输运及应力应变耗散传递，为传感器实现稳定的导电性与热电性提供了结构基础。
图1 WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶的微观形貌结构及元素分布图
基于WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶的柔性触觉传感器的温度响应基于热电塞贝克效应，核心是温度差引发载流子能量分布变化，形成内建电场并输出热电电压(图2(a))。该气凝胶传感器在不同温度差梯度下的热电电压输出值结果表明(图2(b))，随着传感器两端温差逐渐增大，其气凝胶敏感材料内部载流子的热扩散行为将显著增强，致使器件输出电压值亦呈现出稳定的线性增长趋势，经线性拟合得到器件的塞贝克系数值最大为12.8 μV·K–1(图2(c)，即温度响应灵敏度为1.2 K–1)。进一步，该气凝胶传感器在连续升温–降温过程中的动态响应性能测试结果表明(图2(d))，其对不同温差均表现出良好的响应区分度，也说明了其在动态温度变化条件下具有良好的响应稳定性。
图2 基于WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶的柔性触觉传感器温度响应原理及基本性能
此WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶基柔性触觉传感器的压力响应机制为，当气凝胶在外力作用下发生压缩形变时，其内部多孔结构的接触面积将会增大，使得导电通路随之增加，从而导致器件的电阻值减小；而在回弹恢复过程中器件的电阻值则变大，也就是在压缩-恢复循环过程中，气凝胶内部导电通路的动态重构过程将会直接影响器件压阻信号的变化。气凝胶柔性传感器的压力响应性能测试结果表明(图3(a))，其电阻变化率(∆R/R0)随外部压力的增加而增大，且对不同压力均表现出良好的响应性能，其灵敏度系数(GF)值最大达–19.9%·N–1(图3(b)，即–1.28 kPa–1)。此外，此气凝胶内部导电网络稳定性测试表明(图3(c)，响应曲线均呈现出良好的线性特征，说明在固定外力作用下其电阻值能保持恒定，这就为器件的压力响应稳定性提供了重要保障。
图3 基于WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶的柔性触觉传感器的压力响应性能
对WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶基柔性传感器对压力与温度响应的相互独立性进行了评估。通过测试在相同的温差、不同的压缩形变条件下传感器的热电电压输出值，来评估压力变化对其温度响应性能的影响，结果表明(图4(a))，在相同的温差条件下，逐步在器件上施加压力时并不会改变其热电电压输出值，这证实了该传感器温度响应性能并不受压力形变干扰。同样地，通过测试在相同的压缩形变、不同的温差条件下传感器的两端电阻，来评估温度变化对其压力响应性能的影响，结果表明(图4(b))，从传感器在3 N固定压力、不同温差条件下的I–V特性曲线呈现出良好的线性关系，且曲线斜率保持一致，这表明了该器件的本征电阻不受温度变化的影响；在各种不同压力条件下，逐步增大传感器两端的温差，也都不会改变其两端电阻值，这证明了该器件压力响应性能并不受温度变化影响(图4(c))。
图4 柔性触觉传感器的压力与温度响应互不干扰特性
为验证WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶柔性触觉传感器的实际应用性能，将其集成于机械手之上，来评估其对物体软硬程度及表面温度的识别能力。软硬度是物体的重要特征之一，可通过压阻效应来量化表征对物体软硬程度，测试结果显示，机械手可区分硬质泡沫、软质泡沫、纸板、木板及陶瓷等不同硬度物体(图5(a))，且电阻变化值和物体硬度之间呈现出了良好的线性关系(图5(b))，这说明可根据器件电阻变化响应值来对未知物体的硬度做出判断。基于热电效应，柔性触觉传感器可赋予机械手温度感知能力，测试结果显示，机械手可区分温度分别为5、15、35、50及60 ℃水温杯子(图5(c))，热电电压输出值和物体温度之间也呈现了良好的线性关系(图5(d))，且热电电压极性(正/负)与幅值可直接反映物体温度。
图5 集成柔性触觉传感器的机械手用于物体性质感知
总结与展望
本研究研制了基于WPU-CNT@Bi2Te3气凝胶的柔性触觉传感器，其压力响应灵敏度最高GF为–1.28 kPa–1、其热电塞贝克系数为12.8 μV·K–1，温度响应灵敏度为1.2 K–1，且经1300次热循环后仍能保持稳定响应。同时，该柔性器件具有压力与温度响应行为互不干扰的特性，这主要源于其功能敏感材料响应机制的独立性，即压阻效应依赖导电网络形变，而热电效应仅与载流子热扩散行为相关。将此柔性触觉传感器集成于机械手，通过压力–电阻响应性能可感知物体软硬度，利用热电性能可感知温度，展现出了良好的应用前景。
作者简介
通讯作者：张珽，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师，国家杰青，主要致力于纳米智能材料、柔性电子、仿生智能传感技术、类脑芯片技术、可穿戴智能系统领域的研究，承担了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委重大研究计划重点项目、科技部国家重点研发计划重点专项课题、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、江苏省基础研究计划重点项目等科研课题30余项。迄今以通讯/第一作者在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、The Innovation等学术期刊上发表论文150余篇，申请中国发明专利100余项(授权40余项)，其中多项发明专利已成功许可和产业转化。
