作者:袁一雪 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/11/30 23:14:54
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王华涛小组研制电子皮肤 让触觉更真实

电子皮肤 王华涛课题组供图

 

如何让智能机器人更像人类,只给它提供听觉、视觉,让它能与人对话,这似乎还远远不够。因为在人类的五感中,除了听觉和视觉,还包括触觉、味觉、嗅觉。机器人不需要吃饭,那么味觉和嗅觉似乎就不那么重要了,但触觉作为最重要的定位手段,则是机器人应该具备的。

于是,科学家希望在机器人身上也“套”上一层皮肤,让它们从中获取“触觉”信息,可以与人一样敏感获知环境信息,并作出相应反应。

在众多材料中,柔性材料是最接近人体皮肤的一种,但如何将柔性材料与帮助感知外界的导电材料更好地结合在一起,这一直是个难题。哈尔滨工业大学威海校区材料科学与工程学院副教授王华涛课题组就一直从事这项研究。

近日,该课题组研究人员宣布,经过一系列封装工艺,把石墨纳米片加入到弹性高分子体系里,形成一种高柔性、高灵敏度的“电子皮肤”。而且,这种“电子皮肤”已具备工业化大量生产的条件。其相关成果已发表在国际著名期刊《美国化学学会—应用材料与界面》上。

保证电子均匀平铺在柔性材料中

“电子皮肤是将高柔性与高导电性材料结合在一起,成为复合材料,才能成为有‘触觉’的电子皮肤。”王华涛在接受《中国科学报》记者采访时表示。在材料学中,具备柔性特点的高分子材料很多,包括橡胶、硅胶等;同样具备导电的材料也很多,比如各种金属材料、石墨、半导体等。

“但既导电又具有柔性的材料却寥寥可数,关键点在于这些导电材料在柔性材料里无法均匀分散,使得导电性和柔性无法兼得。”王华涛课题组通过多年的不断积累,现在已经掌握了将石墨烯、石墨纳米片等导电材料均匀分散到柔性高分子体系里的技术,因此获得了既有高柔性又高导电的复合材料,正是基于这种高柔性、高导电的复合材料,才进一步拓展到电子皮肤这个研究领域上。

说起来容易,做起来难。“将石墨纳米片加到高分子体系里的做法由来已久,大多数研究点在于弄清楚石墨纳米片对高分子的改性机理研究,而受限于填料难于均匀分散的问题,所以在柔性导电材料上的研究匮乏。”王华涛解释说,分散技术其实是基于材料的表面改性技术,他的团队通过不断地摸索、实验,确定了表面改性剂的种类和比例,使得石墨纳米片可以在高分子体系里均匀分散。

新技术助力量产

突破了第一道难题,如何量产又成为了研究人员的下一个难题。“实现量产的关键在于对于电子皮肤成膜工艺的研究。”王华涛介绍道。在成膜时,其技术的难点在于高石墨纳米片固含量的成膜,以及厚度的控制。

多年来,王华涛课题组通过对成膜材料的比例、厚度、水分、黏度、干燥温度、干燥时间、湿度等因素的控制和摸索,找到了最佳的工艺参数,实现了多种材料的成膜技术,如柔性发热膜、电驱动柔性膜以及现在的电子皮肤。

经过多次实验,研究人员研发的电子皮肤厚度仅为40微米,接近一根头发丝粗细。这种新型柔性电子皮肤在不同的应力应变条件下均有良好的响应。

解决了成膜工艺后,王华涛课题组又着手开始进行石墨烯制备工艺的改良。石墨烯具有优异的力、热、电等特殊性能。但传统的石墨烯制备方法例如化学气相沉积法(CVD)、物理剥离法和氧化还原法等,这些工艺较为复杂且制备成本较高。

“我们课题组以石墨为原料,通过表面改性剂辅助下的物理方法,获得成本较低的石墨纳米片。而且,这种石墨纳米片与石墨烯的性能非常接近,可以工业化制备和供给。”王华涛介绍说。

以柔克刚

电子皮肤实现量产,或许能够有效推动电子皮肤的下游应用,如柔性压力传感、声音识别、VR技术等应用领域。

以可穿戴设备举例,电子皮肤的量产,可以扭转人们对于可穿戴智能设备的印象,让它们不再像头盔般坚硬,而是像衣服般柔软。甚至可以将体积一再缩小,成为人类皮肤上的“电子文身”。

王华涛预测,未来,人们可以通过扫描柔软芯片贴在皮肤上的“电子文身”,获取资讯信息甚至完成支付行为。也就是说,这款文身甚至可以代替你的钱包,以及代替手机的无线支付功能。而且,这种“以柔克刚”的方式,将为假肢制造、机器人设计等领域搭起了桥梁。

 
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