具有PDMS/CNT/CB可变曲率摩擦层的柔性阵列摩擦电压力传感器，用于机器人触觉感知

《Nano Energy》：Flexible Arrayed Triboelectric Pressure Sensor with PDMS/CNT/CB Variable-Curvature Friction Layer for Robotic Tactile Sensing

柔性触觉传感器研究：提出基于PDMS/CNT/CB复合材料的阵列式triboelectric压力传感器，通过优化摩擦层材料和结构设计，实现108%电压提升、5mm厚度及超12000次循环寿命，支持多点和自适应压力检测，应用于机器人抓取等场景。

　　

王鹏|朱荣荣|朱宣晨|张驰|廖凌毅

华中农业大学工程学院，武汉，430070，中国

摘要

触觉感知是机器人执行精确操作和与环境互动的核心能力，尤其是在需要轻柔接触的应用中，例如无损抓取。本研究提出了一种新型的阵列式摩擦电压力传感器，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）/碳纳米管（CNT）/炭黑（CB）摩擦层（PCC-ATPS），该摩擦层具有可变曲率的PDMS/CNT/CB结构。通过开发复合材料和多层堆叠结构，该传感器有效解决了现有摩擦电设备的关键问题，如灵活性、环境适应性和空间分辨率。传感器采用PDMS/CNT/CB可变曲率复合摩擦层，并结合弹簧辅助的弹性支撑结构，使得电压输出提高了108%，机械耐久性超过12,000次循环。3×3阵列设计实现了0.5-30 N的宽压力检测范围，响应时间仅为107毫秒。实验结果表明，集成在机器人夹具中的PCC-ATPS能够准确识别抓取各种物体（如苹果和鸡蛋）时的压力大小和位置，同时实时监测抓握力分布。这项研究为机器人提供了一种新的触觉感知方法，具有高灵敏度、高分辨率和低功耗，从而推动了智能无损抓取技术的发展。

引言

触觉感知是人类感知外部世界不可或缺的途径[1]、[2]、[3]。在机器人技术中，它同样代表了从被动命令执行到主动环境理解和精确物体操控的核心能力[4]、[5]、[6]。随着柔性电子技术和仿生传感技术的快速发展，电子皮肤已成为赋予机器人类似人类触觉感知的关键平台[7]、[8]。在各种触觉感知方式中，压力感知起着核心作用。它不仅提供了关于物体表面接触力的基本信息，还通过分析力分布来推断复杂的属性，如形状、纹理、滑动状态甚至硬度[9]、[10]、[11]、[12]。特别是在机器人技术中，作为触觉感知系统的核心传感单元，压力传感器的性能直接决定了机器人在环境互动和灵巧操控方面的最终能力[13]、[14]。然而，大多数当前的压力传感器难以有效平衡与复杂曲面的贴合接触、在恶劣环境中的稳定性以及阵列配置中的多点感知能力，这构成了持续的挑战[15]、[16]、[17]、[18]。同时，机器人技术的不断创新推动了人们对触觉传感器提出更高标准的需求，如更高的灵敏度、更低的功耗、更紧凑的结构[19]、[20]、[21]。因此，开发一种具有高灵敏度、优异灵活性、阵列式多点感知能力和强环境适应性的柔性压力传感器仍然是机器人研究中的核心和驱动力[22]、[23]。

在各种柔性压力传感器技术中，基于经典摩擦电效应和静电耦合的摩擦电纳米发电机（TENG）及其衍生的摩擦电压力传感器近年来受到了广泛关注，因为它们具有独特的自供电特性、高灵敏度、相对简单的结构和成本效益[26]、[27]。对于基于TENG的压力传感应用，电流或电压信号的幅度直接反映了施加压力的强度。因此，摩擦电层材料的类型、微观结构和表面属性是决定传感器输出性能的关键因素，因为它们直接影响电荷传输的效率，从而决定了传感器输出电压或电流信号的幅度，最终影响其灵敏度[28]、[29]、[30]。研究人员通常通过开发新的摩擦层材料或优化现有材料的配方来提高输出性能。其中，化学掺杂是开发新型复合材料的常用方法之一。其核心原理是将功能性掺杂剂均匀分散到基体材料中，以精确调节其电性能（如导电性或介电性能）或引入新的功能[15]、[31]。例如，王等人制备了一种纤维素-碳纳米管气凝胶TENG（CCA-TENG）。纯纤维素气凝胶通常是不导电的。为了解决这个问题，将高介电常数的碳纳米管均匀分散到纤维素溶液中，以提高CCA的导电性和介电性能[32]。此外，输出性能还取决于两种材料之间的物理属性组合，如表面粗糙度、硬度和摩擦效率[33]。通过设计特定的纹理、孔隙或纳米结构，可以增加材料的有效接触面积，从而提高电荷传输效率。常见的表面微观结构包括微金字塔形、微针形和砂纸状微观表面[34]、[35]。然而，这些微观结构会显著影响材料的机械响应。在施加压力下，这些微观结构会发生弹性变形，有效地分散应力，从而降低材料的整体杨氏模量，提高其灵活性和压力适应性。但是，不适当的结构设计，如过高或过于密集的微柱，可能导致应力集中，可能引起结构疲劳甚至崩溃，从而影响设备的长期稳定性[29]。

在摩擦电压力传感器领域，传感器的材料和结构是其性能的核心因素。其中，阵列式摩擦电压力传感器既是基础也是焦点，这种配置已在摩擦电触觉传感器中得到广泛应用。阵列式摩擦电压力传感器基于TENG原理，由多个独立的摩擦电单元按规则模式排列组成。这种设计使传感器能够覆盖更大的感知区域，并在多个点同时进行监测[36]、[37]。这种多通道并行感知能力对于实现高分辨率触觉感知至关重要。阵列中的每个单元都可以独立响应其覆盖范围内的压力变化，将二维甚至三维的接触压力分布信息转换为一系列空间离散的电信号[38]、[39]。通过后续的信号处理和解码算法，这些原始信号可以在数字系统中精确重建接触表面的压力场分布，从而实现高保真的物体接触状态感知[40]、[41]。基于TENG的触觉感知的核心优势在于低能耗、高灵敏度、灵活适应性和多模态感知的有机集成。结合简单整体结构、低成本和易于与柔性基底集成等特点，它已成为实现轻量化、低功耗、高性能触觉系统的理想技术途径。随着材料创新和集成技术的进步，TENG有望在机器人、医疗保健和物联网等领域推动触觉感知的革命性应用。

在本研究中，提出了一种基于新型PDMS/CNT/CB可变曲率复合摩擦层的柔性阵列式摩擦电压力传感器。对于摩擦层材料，我们创新地将两种纳米填料——CNT和炭黑（CB）引入PDMS基质中，形成复合负摩擦电层[42]、[43]、[44]。CNT的有效掺杂有助于在PDMS/CNT/CB内部构建导电网络[45]，而CB通过减少混合物内的聚集来提高复合系统的分散性，从而支持PDMS/CNT/CB的制备[46]。结果，与纯PDMS相比，优化的PDMS/CNT/CB复合材料的输出电压在与铜材料接触分离时提高了108%。此外，通过优化3×3阵列结构的布局和制备工艺，我们实现了灵活的微型传感器设计，并提高了空间分辨率。集成传感器具有出色的灵活性，厚度仅为5毫米。为了验证PCC-ATPS的实际应用潜力，我们成功将其集成到仿生机器人手的表面上，赋予其特定的触觉感知能力。设计并实现了一个支持性的智能交互界面，能够实时检测力的大小和位置。与现有的触觉传感器相比，PCC-ATPS在材料、结构、感知能力和系统集成方面取得了全面的突破：所采用的PDMS/CNT/CB三元复合材料使输出电压比纯PDMS提高了108%，并且通过可变曲率摩擦层和弹簧辅助结构，实现了在压力下接触面积的自适应扩展、均匀应力分布以及超过12,000次的循环寿命。此外，传感器还具有出色的灵活性和低功耗特性，不仅为柔性触觉传感器的设计提供了新的见解，也为机器人等领域的智能应用奠定了关键技术基础。

部分摘录

触觉感知系统的设计

图1a展示了为农业机器人设计的PCC-ATPS。该传感器安装在机器人手的执行器表面上，旨在模拟人手的触觉功能。它可以实时准确地监测机器人抓取农产品或其他物体时的接触力的大小和分布，为后续的精确操作提供关键的触觉反馈信息。图1b展示了多层堆叠结构

结论

在这项工作中，设计了一种基于PDMS/CNT/CB可变曲率摩擦层的柔性阵列式摩擦电压力传感器。其核心创新在于PDMS/CNT/CB复合摩擦层与可变曲率设计的协同集成，使得接触面积能够随着压力的增加而自适应扩展。PDMS/CNT/CB复合摩擦层材料增强了电信号输出，当与多层堆叠的3×3阵列设计结合时，它

PDMS/CNT/CB复合材料的制备和PDMS封装层的制备

PDMS/CNT/CB复合材料的制备过程如图2A(I)所示。首先，将PDMS弹性体和交联剂彻底混合，制备PDMS预聚物溶液。随后，分别加入预定质量分数的CNT和CB，并均匀分散在PDMS预聚物溶液中，形成PDMS/CNT/CB混合溶液。为了便于后续脱模，在模具表面预先喷涂了脱模剂。脱气的PDMS/CNT/CB混合物

伦理批准和参与同意

不适用

出版同意

不适用

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

作者感谢国家现代农业产业技术体系项目（CARS-12）、中央高校基本科研业务费（2662025GXPY004, 2662024GXPY009）、国家自然科学基金（U23A20640, 52203308）、湖北省自然科学基金一般项目（2023AFB860）和北京市自然科学基金（3242013）的财政支持。

CRediT作者贡献声明

张驰：撰写——审阅与编辑，监督。朱宣晨：验证，软件，形式分析。陈爱国：监督，资源。王鹏：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。朱荣荣：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，调查，数据管理。廖凌毅：撰写——审阅与编辑，验证，形式分析。

利益冲突声明

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