凝胶类仿生触-压觉敏感器件感知机理研究

Bionic compliant perception is one of the research hotspots in areas of environment sensing of robots, medical detection, intelligent wearable instruments etc. Based on previous studies, a new type of multi-layered distributed touch-pressure detecting structure bionic skin sensing systems is proposed, which is produced with gel materials of strong strength matching and tensile capabilities, before studying sensing mechanisms of the bionic touch-pressure sensitive component based on gel materials, in order to overcome stretching limits of previous compliant sensors that were focusing on material selection and structure design to improve detecting precisions. This project will study large deformations of membrane soft gel material affected by multiple fields under the action of the electrical field, trying to reveal the tactile detecting mechanism of the sensitive component; discuss nonlinear properties modeling method of the detecting component, before studying the optimization design theory of the component with multiple parameters based on the detecting properties; explore the soft material additive manufacturing process of gel materials, and reveal mechanisms of effects of the process and parameters on the detecting properties. Results of this project offer basis of design, manufacture and applications of soft stretchable sensors.

仿生柔性传感是机器人环境感知、医疗检测、智能可穿戴等领域的研究热点。在过去研究的基础上，提出新型仿生生物皮肤感知系统功能的多层分布式触-压觉感知结构，利用可强度匹配且拉伸能力强的凝胶材料制备感知器件，开展凝胶类仿生触-压觉敏感器件感知机理的研究，克服过去柔性传感器件注重材料选取或结构设计以提高感知精度，但拉伸能力受限的难题。项目研究电场作用下流场、力场、化学场等多场耦合凝胶类薄膜软材料大形变模型，力图揭示敏感器件接触力感知机理；探讨感知器件非线性指标建模方法，研究以感知性能为指标的敏感器件多参数优化设计理论；探索凝胶类软材料增材制造工艺，揭示工艺及参数对感知器件传感性能的影响规律。项目成果为柔性可拉伸传感器件设计、制备和应用提供基础。

自然界中的生物通过多种感知器官实现与外界的交互。而在各种感知功能之中，触觉是生物体与环境直接交互的最直接方式。生物体通过直接的物理接触感知环境的特性，如温度、压力、硬度、粗糙度等等。同时，触觉的感知是生物体定位的重要手段，也是防御反应的重要环节。人体也主要通过遍布全身的皮肤以及分布在皮下的大量机械刺激感受器完成触觉感知。除此之外，人体的健康表征，如心跳、血压、皮肤褶皱等等，也可通过皮肤表面的触觉信号进行监控。电子皮肤触觉感知系统由于具备高柔性、高灵敏度等特点，具有极高的应用价值和广泛的应用前景，受到国内外研究人员的高度关注。.项目提出了具有定位层和感知层的凝胶类多层柔性可拉伸触觉和压力感知材料的创新构型，建立了感知层超弹性力学特性本构关系模型，提出了感知材料制备方法。建立了分布式多层柔性触觉感知单元的等效电路模型，提出了基于材料几何及构型的感知性能提升方法。提出了金字塔式介电层微结构及其在介电层中的高度占比对感知单元灵敏度与线性度的影响规律，设计了基于以PDMS作为介电层的平行板电容型电子皮肤优化结构。通过实验验证了Odgen超弹体材料模型对PDMS超弹体特性描述的有效性，验证了感知系统的性能和性能提升方法。研究了电容式电子皮肤触觉感知单元的非接触感知模式，展示了电容式电子皮肤触觉感知单元的实际应用潜力，包括可穿戴式的心率检测和人工假肢的姿态监测，并且基于3D打印实现了仿生手与人手交互全程的姿态监测。.本项目主要完成SCI收录论文9篇，申请发明专利8项，培养硕士研究生5名（4名在读），为大面积柔性触-压觉敏感器件的研究提供理论和技术依据。