郭小輝，黃 英，劉彩霞，劉 平，馬淵明

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院 合肥 230009)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與傳感技術(shù)之間的深度滲透以及智能終端設(shè)備的日益普及，為可穿戴式傳感器的研究提供了有力的技術(shù)支撐和廣闊的市場前景，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及體育[1]、游戲[2]、醫(yī)療[3]和科研[4-5]等。具備觸覺感知功能的可穿戴電子設(shè)備是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一，觸覺作為人體最大的感官系統(tǒng)，在信息交互和傳感認(rèn)知過程中具有重要的作用[6-8]。將觸覺傳感器集成于可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶生理參數(shù)檢測(cè)并快速、準(zhǔn)確地做出健康評(píng)估，亦或是智能機(jī)器人通過穿戴這類柔性電子仿生皮膚可以更加靈活、全面地完成人機(jī)交互[9-10]。

觸覺力感知為觸覺傳感器范疇中最常見的一種，為克服以硅基體或光電式等觸覺力傳感器存在柔性差、不易穿戴等缺點(diǎn)，填充型高分子柔性導(dǎo)電復(fù)合材料，尤其碳系填料，因具備加工性好、工藝簡單、電阻率易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)在柔性電子仿生皮膚研究中得到廣泛應(yīng)用。炭黑具有價(jià)格低廉及良好的力學(xué)特性，碳納米管因較大的長徑比呈現(xiàn)較低的滲流閾值，被應(yīng)用于力敏復(fù)合材料研究中。為進(jìn)一步提升力敏傳感器的穿戴舒適度和力學(xué)特性，本文將形狀和尺寸各異的炭黑/碳納米管兩相填料并用填充硅橡膠(CB/CNTs/SR)制備力敏復(fù)合材料，提出了一種表面具有微圓頂陣列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的柔性、可穿戴觸覺傳感器。

1 微圓頂觸覺傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過在導(dǎo)電復(fù)合材料表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)可以提升觸覺傳感器的力敏特性[11-13]，本文基于3D打印技術(shù)和硅橡膠流體成型特點(diǎn)制備了微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器。圖1為微圓頂結(jié)構(gòu)觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理示意圖，圖1a為觸覺敏感單元，選用CB/CNTs/SR為力敏復(fù)合材料，與叉指型電極接觸面留有微圓頂狀觸頭陣列；圖1b為單個(gè)微圓頂結(jié)構(gòu)及受力時(shí)敏感機(jī)理示意圖，壓阻式觸覺力敏感單元的輸出電阻由體電阻和接觸電阻組成，觸覺力作用下，微圓頂陣列結(jié)構(gòu)與電極接觸狀態(tài)由點(diǎn)-面接觸轉(zhuǎn)為面-面接觸。同時(shí)力敏復(fù)合材料受力被壓縮，隧道效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)電填料間形成導(dǎo)電通路，兩者間的協(xié)同作用共同構(gòu)成了觸覺感知機(jī)理。為進(jìn)一步研究本文的微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器在觸覺力作用下的應(yīng)變特點(diǎn)，借助ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，圖1c和圖1d分別是微圓頂觸覺傳感器受力時(shí)應(yīng)力和形變結(jié)果。

圖1 微圓頂觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理

1.2 力敏材料及傳感器制備

力敏復(fù)合材料和微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺傳感器制備方式采用溶液共混法，具體制備流程如圖2所示。填料為CB3100型炭黑(瑞士SPC公司，平均粒徑約為30 nm，電阻率約為8×10-3Ω?cm)、TNM5型碳納米管(中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，平均長度約為20 μm，電阻率約為3～6×10-2Ω?cm)，母體選GD401室溫硫化硅橡膠(中昊晨光化工研究院有限公司)，依次取質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的炭黑和2%碳納米管于燒杯中并加入適量分散劑，使用超聲波材料分散儀進(jìn)行超聲分散10 min，并利用磁力攪拌機(jī)對(duì)懸浮液均勻攪拌20 min。加入硅橡膠并均勻攪拌30 min，使得炭黑/碳納米管均勻分散在母體中，分散劑充分揮發(fā)。經(jīng)抽真空處理除去CB/CNTs/SR溶液因攪拌混入的氣泡后，將復(fù)合材料注入基于3D打印技術(shù)制備具有微圓頂特征的模具，并置于恒溫箱中固化成形，脫模后可獲得微圓頂觸覺傳感器。

圖2 微圓頂觸覺傳感器制備流程

圖3 炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料微觀圖

為表征雙相填料并用在母體中的分散情況，測(cè)試了如圖3所示的炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料電子掃描顯微鏡圖。在CB/CNTs/SR導(dǎo)電復(fù)合材料中，CNTs分布在CB團(tuán)聚體之間，通過SR分子鏈將其連接起來，使得CB和CNTs在硅橡膠基體中的分散性得到大幅度的改善。CB和CNTs雙相導(dǎo)電填料并用會(huì)在導(dǎo)電橡膠體系中產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”[14]，CB和CNTs形成“葡萄串”結(jié)構(gòu)，CNTs可以看作葡萄串的梗，起到連接、固定分散的CB顆粒的作用。硅橡膠基體的橡膠分子鏈作為骨架，與CNTs和CB形成的葡萄串結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)，協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)，將CB顆粒間的點(diǎn)-點(diǎn)接觸及CNTs間的線-線接觸優(yōu)化為三維立體狀接觸網(wǎng)絡(luò)，有利于力的傳遞和導(dǎo)電通路的形成。炭黑/碳納米管并用產(chǎn)生的“協(xié)同效應(yīng)”增強(qiáng)了導(dǎo)電復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，并易于構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

2 觸覺感知應(yīng)用研究

2.1 傳感特性

使用LS-WD-100型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(深圳力森科技有限公司)對(duì)本文提出的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器在0～70 N范圍內(nèi)進(jìn)行壓力加載實(shí)驗(yàn)。圖4為微圓頂觸覺傳感器力敏特性測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試過程中，以5 N為步進(jìn)，記錄對(duì)應(yīng)加載力作用下微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺傳感器輸出電阻值，其力敏特性測(cè)試結(jié)果如圖5所示，R為傳感器受力作用時(shí)輸出電阻值，R0為初值電阻值。

圖4 觸覺傳感器特性測(cè)試裝置

圖5 炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料力敏特性

2.2 觸覺感知實(shí)驗(yàn)

足部信息尤其足底壓力的時(shí)空分布，對(duì)于鞋類設(shè)計(jì)與舒適度評(píng)估、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、步態(tài)分析以及諸如帕金森癥、內(nèi)外八字、糖尿病足等疾病的診療、預(yù)判等均具有重要的意義[15-16]。

圖6 傳感器位置分布

為了拓展本文的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器應(yīng)用范圍，將該微圓頂陣列結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器集成于鞋墊進(jìn)行足底壓力分布測(cè)試，根據(jù)足底受力特點(diǎn)[17]，壓敏單元在足底分布如圖6a所示；圖6b為本文的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺敏感單元實(shí)物圖，可以看出，該力敏單元具有輕薄、柔軟等特點(diǎn)；圖6c為基于柔性印刷電路板技術(shù)制備的叉指型電極，將力敏傳感單元粘接在其表面制備成柔性壓力傳感器，力敏傳感單元和電極良好的柔軟性共同保證了觸覺傳感器的穿戴舒適性。

圖7 系統(tǒng)流程圖

為提升足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性，本文基于高性能、低功耗微處理器CC2530和多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2495構(gòu)建足底壓力信息采集系統(tǒng)，其系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

用戶通過圖8a所示的穿戴該便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力時(shí)空分布特點(diǎn)，并于如圖8b所示的LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行圖形化顯示。

3 結(jié) 束 語

為提升觸覺傳感器穿戴舒適度和力敏特性，基于炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料制備了一種具有微圓頂陣列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的柔性可穿戴觸覺傳感器。闡述了微圓頂觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制備流程，并結(jié)合ANSYS分析其觸覺感知機(jī)理。對(duì)觸覺傳感器進(jìn)行力敏特性表征實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行足底壓力分布感知應(yīng)用，可用作穿戴觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)柔性觸覺感知。

[1]GUO Xiao-hui, HUANG Ying, CAI Xia, et al. Capacitive wearable tactile sensor based on smart textile substrate with carbon black/silicone rubber composite dielectric[J].Measurement Science and Technology, 2016, 27(4)： 045105.

[2]Lü Zhi-han, HALAWANI A, FENG Sheng-zhong, et al.Touch-less interactive augmented reality game on vision-based wearable device[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2015, 19(3-4)： 551-567.

[3]HUANG Ying, FANG Ding, WU Can, at al. A flexible touch-pressure sensor array with wireless transmission system for robotic skin[J]. Review of Scientific Instruments,2016, 87(6)： 065007.

[4]SU Meng, LI Feng-yu, CHEN Shuo-ran, et al. Nanoparticle based curve arrays for multirecognition flexible electronics[J]. Advanced Materials, 2015, 28(7)： 1369-1374.

[5]JIANG Jie-ke, BAO Bin, LI Ming-zhu, et al. Fabrication of transparent multilayer circuits by inkjet printing[J].Advanced Materials, 2015, 28(7)： 1420-1426.

[6]郭小輝, 黃英, 騰珂, 等. 柔性溫度壓力仿生皮膚的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)器人, 2015, 37(4)： 493-498.GUO Xiao-hui, HUANG Ying, TENG Ke, et al. Design and implementation of flexible temperature and pressure sensors for modularized artificial skin[J]. Robot, 2015, 37(4)：493-498.

[7]郭小輝, 黃英, 劉家俊, 等. 可拼接式全柔性電容觸覺陣列傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 機(jī)器人, 2015, 37(2)： 136-141,151.GUO Xiao-hui, HUANG Ying, LIU Jia-jun, et al.Expandable fully compliant capacitive tactile sensing array：Design and experiment[J]. Robot, 2015, 37(2)： 136-141,151.

[8]郭小輝, 黃英, 毛磊東, 等. 可穿戴式電子織物仿生皮膚設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2016, 37(4)： 241-247.GUO Xiao-hui, HUANG Ying, MAO Lei-dong, et al.Research on the design and application of wearable electronic fabric bionic skin[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2016, 37(4)： 241-247.

[9]郭小輝, 黃英, 騰珂, 等. 全柔性電容式觸覺傳感陣列設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2015, 29(9)： 1278-1285.GUO Xiao-hui, HUANG Ying, TENG Ke, et al. Design and experiment of fully-flexible capacitive tactile sensing array[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument,2015, 29(9)： 1278-1285.

[10]郭小輝, 黃英, 劉彩霞, 等. 電容-電阻雙模式材質(zhì)識(shí)別傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015, 43(S1)： 220-223.GUO Xiao-hui, HUANG Ying, LIU Cai-xia, et al. Design and experiment of capacitance-resistance bimodal material identification sensor[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2015,43(S1)： 220-223.

[11]CHOONG C L, SHIM M B, LEE B S, et al. Highly stretchable resistive pressure sensors using a conductive elastomeric composite on a micropyramid array[J].Advanced Materials, 2014, 26(21)： 3451-3458.

[12]ZHU Bo-wen, NIU Zhi-qiang, WANG Hong, et al.Microstructured graphene arrays for highly sensitive flexible tactile sensors[J]. Small, 2014, 10(18)： 3625-3631.

[13]PARK J H, LEE Y O, HONG J Y, et al. Tactile-directionsensitive and stretchable electronic skins based on humanskin-inspired interlocked microstructures[J]. ACS Nano,2014, 8(12)： 12020-12029.

[14]范壯軍, 王垚, 羅國華, 等. 碳納米管和炭黑在橡膠體系增強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)[J]. 新型炭材料, 2008, 23(2)：149-153.FAN Zhuang-jun, WANG Yao, LUO Guo-hua, at al. The synergetic effect of carbon nanotubes and carbon black in a rubber system[J]. New Carbon Materials, 2008, 23(2)：149-153.

[15]STOPPA M, CHIOLERIO A. Wearable electronics and smart textiles： a critical review[J]. Sensors, 2014, 14(7)：11957-11992.

[16]SHU Lin, HUA Tao, WANG Yang-yong, et al. In-shoe plantar pressure measurement and analysis system based on fabric pressure sensing array[J]. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 2010, 14(3)：767-775.

[17]ABDUL R, ZAYEGH A, BEGG R, et al. Foot plantar pressure measurement system： a review[J]. Sensors, 2012,12(7)： 9884-9912.