柔性力傳感器是一類由軟材料(水凝膠、離子凝膠和彈性體等)制成的柔性傳感器，在健康監(jiān)測、電子皮膚和軟體機(jī)器人等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有研究主要關(guān)注的是傳感器在靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)力信號(hào)下的響應(yīng)能力，柔性力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在滿足人機(jī)交互和生物語音識(shí)別等新興應(yīng)用中非常關(guān)鍵，卻鮮有報(bào)道。目前一些研究提出利用柔性薄膜共振原理的高靈敏度傳感器能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)力信號(hào)傳感，但這些傳感器只能在其共振頻率附近獲得高靈敏度響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)由不同頻率和幅值的復(fù)雜分量組成時(shí)，這些具有非平坦靈敏度-頻率曲線傳感器的輸出信號(hào)將與輸入信號(hào)迥異，從而很難解調(diào)出原始輸入信號(hào)，阻礙了進(jìn)一步實(shí)際工程應(yīng)用研究。目前在柔性力傳感器領(lǐng)域中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬且平坦的頻率響應(yīng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
基于此，西安交通大學(xué)復(fù)雜服役環(huán)境重大裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室盧同慶教授團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合預(yù)加載策略的高靈敏離-電傳感技術(shù)，利用預(yù)加載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓寬穩(wěn)定的工作頻率范圍，利用純彈性水凝膠與電極形成的雙電層電容進(jìn)行高靈敏傳感，將傳感器力學(xué)響應(yīng)和電學(xué)傳感的部件進(jìn)行解耦，大幅提升了柔性力傳感器的響應(yīng)速度(響應(yīng)時(shí)間 < 1 ms)，成功解決了高靈敏度與寬且平坦頻率響應(yīng)之間的矛盾。開發(fā)出能夠傳感復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)的柔性離電動(dòng)態(tài)傳感器(IDS)，其在保證高靈敏度(–23 dB @ 1 V/Pa)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬(10 Hz – ~1000 Hz)且平坦(靈敏度±3 dB)的頻率響應(yīng)曲線。這項(xiàng)工作為柔性力傳感器在動(dòng)態(tài)信號(hào)傳感領(lǐng)域的探索提供了新思路。
柔性離電動(dòng)態(tài)傳感器(IDS)旨在監(jiān)測與人有關(guān)的動(dòng)態(tài)信號(hào)，例如人聲和器樂聲音等復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)。通過預(yù)加載策略精密組裝形成多層的傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)外部動(dòng)態(tài)信號(hào)作用于IDS時(shí)，傳感器的電極薄膜發(fā)生周期性振動(dòng)進(jìn)行傳感。在正壓下，電極薄膜與水凝膠界面接觸面積增大，導(dǎo)致電信號(hào)正向輸出，而在負(fù)壓下，電極薄膜與水凝膠界面的接觸面積減小，導(dǎo)致電信號(hào)負(fù)向輸出，如圖1所示。團(tuán)隊(duì)提出的適用于有源離電傳感器的新型交流阻抗共振采集電路，通過調(diào)整定值電感和外加交流電壓頻率大小，可以調(diào)節(jié)離電傳感器輸出電壓與載荷幅值之間的線性度和靈敏度。研究結(jié)果表明該工作提出的高靈敏寬帶寬IDS在保證高靈敏的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工作帶寬比現(xiàn)有大部分柔性力傳感器工作帶寬1~2個(gè)數(shù)量級的提升。
為了充分驗(yàn)證研究的實(shí)用性，研究人員利用柔性IDS進(jìn)行了高保真錄音，頻率范圍從簡單的單音到旋律、歌曲和器樂聲音，基本覆蓋整個(gè)日常的人聲頻譜，如圖4所示。在最后的展示性實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)還使用可穿戴IDS進(jìn)行語音遠(yuǎn)程控制玩具車實(shí)驗(yàn)，展示了其人機(jī)交互的潛力，如圖5所示。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11166
