日本利用纳米网状压力传感器研发人体皮肤触觉的贴片

据麦姆斯咨询报道，日本东京大学研究人员近日开发出一款人造皮肤贴片，该贴片不会影响其接触的人体皮肤的触觉灵敏度。这种新型超薄传感器由多层导电和电介质纳米网状结构制成，可用于假肢、机器人辅助手术、人机界面以及可穿戴医疗监测仪等各类应用。

皮肤是人体最大的感觉器官，拥有丰富的神经元，它们不断地监测着环境中的刺激，并将这些信息传递至大脑。因此，优秀的人造皮肤必须能够复制这种能力。特别是电子皮肤需要高灵敏度的触摸传感能力，同时也能迅速响应外界施加的压力。

为了实现上述目标，电子皮肤需要包含高密度的传感器，达到至少50 μm区域配备单个传感器的密度。但同时也需避免人类自然触觉的干扰，而事实证明，这实现起来非常困难。例如，人类指尖非常敏感，一小片仅几微米厚的塑料薄膜就足以削弱人的触摸感觉。

“用于手指的可穿戴传感器必须非常薄。”日本东京大学Takao Someya研究团队成员、该论文第一作者Sunghoon Lee解释道，“但这显然会让传感器变得非常脆弱，容易因摩擦或反复物理作用而受到损坏。”

Lee补充道，正是由于该原因，迄今为止开发的多数电子皮肤都相对较厚，如由集成纳米线的传感器阵列或微结构橡胶层制成的电子皮肤，它们可以根据压力而改变电容或电阻。

人造皮肤贴片由两层网状物构成

相比之下，由Takao Someya研究团队共同开发的传感器则非常薄而且可渗透。该器件由两层构成，均采用了静电纺丝工艺，并基于Akihito Miyamoto及其同事在2017年提出的设计制造而成。第一层是绝缘网状物，由200 nm至400 nm的聚氨酯纤维构成;第二层是线路网状物，构成了该器件的功能性电子元件——平行板电容器。第二层主要由金在聚乙烯醇(PVA)支架上制成，PVA是一种常见于隐形眼镜的水溶性聚合物。一旦第二层制造完成，研究人员就会将PVA洗去，只留下金支撑物。最终的成品压力传感器厚度约为13 μm。

(A)贴附在食指上的纳米网状压力传感器(比例尺：5mm)，(B)以52°的倾斜角层压在聚酰亚胺膜上的纳米网状压力传感器的横截面SEM图像(比例尺：5μm)。

当覆盖传感器的手指抓住物体时，电介质纳米网状层就会变形，从而导致两层之间的电容值发生变化。当研究人员根据电容—压力变化曲线的斜率来评估器件灵敏度时，发现传感器测量的握力值与裸手指的握力值相当(施加压力低于0.141 kPa?1范围的值小于1 kPa，施加压力高于0.010 kPa?1范围值则超过10 kPa)。

“在18位测试对象的帮助下，我们对该传感器进行了严格的测试。”Lee表示，“该测试证实，执行相同的任务，与不携带传感器的对照组相比，携带组的传感器难以被察觉，既不影响通过摩擦力抓取物体的能力，也不影响其感知的灵敏度。这正是我们所希望达到结果。”

人造皮肤贴片坚固且耐磨

研究人员发现，该传感器的另一项优势是，即使被反复压缩后，纳米网状传感器仍能继续正常工作。事实上，以19.6 kPa挤压1000次后，该器件的电容仅改变了0.15%。而在这些实验中，金电极的电导率也保持相对稳定。

另一项有利于该传感器的性质就是其摩擦阻力：实验表明，该传感器可以与50 g的物体摩擦300次而不断裂(相当于施加超过100 kpa的压力)。在这些测试中，该传感器的电气特性仅发生了轻微的变化，即使在多次摩擦后，该器件仍对施加压力非常敏感。

研究人员将其研究成果发表于《科学》(Science)，并展望下一步将增加其器件中的传感点数量，以及确定压力在整个器件中的空间分布情况。“我们还希望进一步开发其他领域的微型传感器，如温度、应变以及湿度传感器，最终实现多模态传感。”Lee向Physics World透露。