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  人體皮膚的力學(xué)傳感系統(tǒng)在人與外界環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性互動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。在抓取動(dòng)作中，皮膚觸覺(jué)感受器感知到的觸覺(jué)信息經(jīng)由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞、分析，可以精準(zhǔn)的控制肌肉調(diào)節(jié)抓取力，以適應(yīng)不同硬度的物體。人體皮膚的壓力感受器兼具高靈敏和寬檢測(cè)范圍，而在人工壓力傳感器的設(shè)計(jì)中，雖然可以通過(guò)降低響應(yīng)材料的模量和構(gòu)建微結(jié)構(gòu)來(lái)提高靈敏度，但是往往會(huì)降低其檢測(cè)上限，使得制備出的傳感器不能很好的兼具高靈敏及寬檢測(cè)范圍。因此，平衡壓力傳感器的靈敏度和檢測(cè)范圍是提高其應(yīng)用環(huán)境適用性的重要課題。

  近期，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉亞慶教授課題組開(kāi)發(fā)了一種基于CaCl₂·6H₂O（無(wú)機(jī)鹽相變材料）和丙烯酰胺的相變凝膠（PC-gel），通過(guò)使用相轉(zhuǎn)變能力實(shí)現(xiàn)凝膠模量變化的原理，設(shè)計(jì)了傳感性能可調(diào)節(jié)的壓力傳感器，能夠在高靈敏度與寬檢測(cè)范圍之間相互切換，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用條件（圖1）。

圖1. 生物感覺(jué)反饋系統(tǒng)和人工觸覺(jué)反饋系統(tǒng)的示意圖。

圖2. PC-gel的制備及不同溫度下凝膠強(qiáng)度的變化。

  CaCl₂·6H₂O作為傳統(tǒng)相變材料，具備室溫范圍內(nèi)發(fā)生結(jié)晶與融化的相轉(zhuǎn)變能力（10-30℃）。因此，由CaCl₂·6H₂O與丙烯酰胺制備的凝膠表現(xiàn)出溫度調(diào)節(jié)的模量變化的能力，可以在300 KPa與340 MPa之間切換（圖2）。并且融化與結(jié)晶狀態(tài)下的模量差異具備很好的重復(fù)性和可操控性。

圖3. 基于PC-gel壓力傳感器的壓感性能。（a）壓力傳感器的結(jié)構(gòu)及Mode I（結(jié)晶前）、Mode II（結(jié)晶后）下的壓感原理。（b,c）兩種響應(yīng)模式下，傳感器電容隨壓力的變化曲線(xiàn)以及壓力誘導(dǎo)凝膠層形變的情況。（d）在不同壓力范圍內(nèi)，Mode I和Mode II模式下傳感信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

  使用PC-gel作為傳感層制備的壓力傳感器展現(xiàn)出溫度調(diào)控的傳感性能，在不同模式下，壓力傳感器的靈敏度和檢測(cè)范圍有明顯的差異性（圖3 a,b）。在Mode I—低模量狀態(tài)下，PC-gel易變形，內(nèi)部大量離子在電極表面形成雙電層，二者協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏和高信噪比（圖3 a,d）。而在Mode II—高模量狀態(tài)下，PC-gel可壓縮性降低，缺乏自由移動(dòng)的離子，此時(shí)上下電極的距離成為傳感器電容變化的主導(dǎo)作用，因此可實(shí)現(xiàn)傳感器的寬檢測(cè)范圍（圖3 a,d）。

圖4. 具備自適應(yīng)抓取能力的人工觸覺(jué)反饋系統(tǒng)。（a）人工觸覺(jué)反饋裝置。（b,c）使用Mode I模式抓取棉花、豆腐、去殼生雞蛋等柔軟物體。（d）通過(guò)調(diào)節(jié)兩種操作模式分別實(shí)現(xiàn)高靈敏和寬檢測(cè)范圍來(lái)適應(yīng)不同材質(zhì)的抓取物。

  將上述壓力傳感器集成在機(jī)械手上，編寫(xiě)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控壓力信號(hào)，通過(guò)在程序中預(yù)設(shè)對(duì)象材質(zhì)對(duì)應(yīng)的電容閾值，可以使用壓力反饋來(lái)控制機(jī)械手的抓取力度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取（圖4 a,b）。高靈敏度和寬傳感范圍兩種參數(shù)互補(bǔ)的工作模式賦予了該人工觸覺(jué)反饋系統(tǒng)自適應(yīng)抓取不同柔軟度物體的能力。在Mode I模式下，較高的靈敏性使得機(jī)械手能夠抓取脆弱、柔軟的物體（圖4 c,d）。而在Mode II模式下，寬檢測(cè)范圍使得機(jī)械手能夠抓取堅(jiān)硬、沉重的物體（圖4 d）。與傳統(tǒng)的固定工作模式的壓力傳感器相比，基于PC-gel的壓力傳感器具有高靈敏度、檢測(cè)范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，適合作為多用途的傳感裝置應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。

  以上研究成果以“A phase-change gel based pressure sensor with tunable sensitivity for artificial tactile feedback systems”為題發(fā)表于J. Mater. Chem. A （DOI：10.1039/D1TA02791C）。論文第一作者為山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院科研助理景厚超，通訊作者為山東大學(xué)劉亞慶教授。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22002073）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20200231）和山東省自然科學(xué)基金（ZR2020QB064）的資助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta02791c