基于三维应力识别的自驱动电子皮肤的研究

Tactile sensing is one of the key functions of electronic skin, and tactile electronic skin needs to overcome the difficulties of adaptability to complex environments and resolution of multi-directional forces. This project proposes a photo-electric integrated self-powered electronic skin, which uses a combination of the mechanochromic structure and triboelectric nanogenerator to explore techniques and methods for identifying complex tactile stress. By developing a mechanochromic structure, the stress information in the device is converted into visual elements within a two-dimensional scale. At the same time, it is combined with the triboelectric nanogenerator to convert the normal stress of the electronic skin into electrical signals. Finally, combining the two signals of light and electricity to realize the perception of the contact stress in the three-dimensional direction, it provides technology and methods for the electronic skin to perceive complex tactile information. The research work of this project is of great significance to promote the application of new electronic skins in the field of human-computer interaction and robotics.

触觉传感是电子皮肤的关键功能之一，而触觉传感的电子皮肤需要克服复杂环境适应性和分辨多向力的困难。本项目提出一种光电一体化的自驱动电子皮肤，采用力致变色结构和摩擦纳米发电机结合的方式，探索识别复杂触觉应力的技术与方法。通过研制具备应力取向的力致变色结构，将应力信息转换为二维尺度内的可视化元素。同时与摩擦纳米发电机结合，将电子皮肤的法向应力转换输出为电信号。最终结合光、电两种信号实现器件对接触应力在三维方向的感知，为电子皮肤感知复杂触觉信息提供技术与方法。本项目的研究工作对推动新型电子皮肤在人机交互和机器人领域的应用具有重要意义。

触觉传感将被检测物体的特性转换为电信号，是面向智能传感技术的关键问题之一，现阶段需要克服复杂工作场景和分辨多种传感信息的困难。近年来，柔性电子皮肤得到了快速发展，可用于可穿戴设备和人机界面等，以模拟感知应变、压力、温度和其他变量。然而，在提高电子皮肤关键性能参数的同时，实现多模态传感仍然面临挑战，例如同时感知法向力、剪切力、摩擦力和表面纹理等复杂触觉情况。本项目实现了可拉伸的、垂直堆叠的、光电一体化的自驱动电子皮肤，该器件设计采用应变变色结构和自驱动摩擦纳米发电机结合的方式，探索识别复杂应力的技术与方法。该器件将平面应变信息转换为二维尺度内的可视化元素，同时将法向应力转换输出为电信号，因此可以独立地感知垂直压力和面内应变，进而实现应力在三维方向分布的探测，为柔性电子皮肤感知多向力提供技术基础与方法。该器件实现了较大的应变变色，并在120%的延伸率下，584 nm波长的自发光强度提高了约2000%。另一方面，经过微结构增强的摩擦电部分对垂直压力的灵敏度能达到40.22 V/kPa。本项目的研究工作对推动新型电子皮肤在人机交互和机器人领域的应用具有重要意义。