基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法技术

本发明专利技术属于传感技术领域，具体涉及一种基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法，敏感元件包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ‑内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。传感器包括依次有线或无线连接的敏感元件、测量电路、AD转换电路和显示器。本发明专利技术利用离子交联的缓释体系水凝胶作为传感器主体，利用葡萄糖酸内酯缓慢释放乙二胺四乙酸二钠钙中的钙离子，钙离子与海藻酸钠单体形成离子交联，将水分子连接在网状结构内部，再利用一定的保水措施，减少水分的散发，维持传感器的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法
本专利技术属于传感
，具体涉及一种基于透明生物材料的柔性力触觉传感器、敏感元件及其制备方法。
技术介绍
人机交互的研究对于提高计算机系统“友善性”、简化人与计算机之间的信息交换过程具有重大的意义。就目前而言，人机一体化的交互方式已成为主流模式。为实现理想的人机一体化交互模式，触觉传感器被要求拥有更高的柔软性及生物相容性。因此，我们提出了一种基于水凝胶的电子皮肤触觉传感器设计。水凝胶具有的高柔韧性、高生物相容性对实现人机一体化交互具有重大的意义。目前主流的触觉传感器是基于硬质电极制造，无法适应人机一体化的交互模式。这种触觉传感器在活动能力强的部位使用时反复发生形变，这往往导致触觉传感器测量精度和使用寿命显著降低。目前的柔性触觉传感器对于电路接线的稳定性缺少考虑，电路接口还是位于触觉传感器反复变形的区域，没有进行相关的保护设计；同时相应的敏感部件也因为采用了性能还不成熟的柔性材料，使触觉传感器的测量精度也偏低。中国科学院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公开号为CN1796954，该触觉传感器制作时采用MEMS工艺，整体具有一定柔性，可以检测三维力。但该传感器尺寸较大、加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不能满足人机一体化的需求。且专利中未提出信号采集电路，信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”，公开号为CN101231200，该传感器采用压敏导电橡胶，传感器整体具有高度柔性，可以检测三维力。但是该传感器采用单层电极层结构，传感器受电极接触面积的影响单个触觉单元的尺寸受到限制，不适合残疾人义肢应用；压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差，其精度和分辨率有待进一步提高。公告号为CN101059380A、专利名称为“一种柔性电容式触觉传感器的制作方法”的专利，利用PDMS中间层，制备柔性PI衬底、图形化的金属敏感电极和PI绝缘保护层，实现了有机柔性材料与传统MEMS工艺的兼容，所制作的电容式触觉传感器可挠性好，能同时感受切向力和法向力的大小；然而，由于该传感器敏感电极仍采用Al或Cr/Au金属薄膜，在所贴附表面曲率较大时会因电极和介质的弹性模量差异引起较大误差，还未实现真正的全柔性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷和不足，改善传统触觉传感器柔性程度不高、使用寿命低以及精度不高等问题，提出一种基于水凝胶的电子皮肤传感器设计。利用水凝胶高柔性、易制备、生物相容性高的特点制作出的触觉传感器解决上述问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ-内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。优选地，所述水凝胶在保水层中呈S型排布。优选地，所述保水层由PDMS组成。PDMS是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，是一种无毒的惰性物质，具有很高的疏水性和防水性，可以帮助水凝胶有效锁水及防止水分散发。PDMS的制程简便且快速，材料成本低，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合，同时，具有因低杨氏模量导致的结构高弹性，非常适合用作水凝胶保水材料。制备所述的基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件的方法，包括以下步骤：(1)制备PDMS保水层：将PDMS和固化剂按比例混合均匀，使用模具将混合物制成合适的形状，加热成型；(2)制备水凝胶：在去离子水中加入海藻酸钠和乙二胺四乙酸二钠钙，离心搅拌；在混合均匀后的胶体中加入葡萄糖酸δ-内酯，离心搅拌，使其混合均匀；(3)PDMS-水凝胶-PDMS结构成型：将配置好的水凝胶胶体通过3D打印机打印到经紫外线处理后的制备成型的PDMS保水层上，在一定温度和湿度下静置，再将另一片同样经紫外线处理后的PDMS保水层覆盖其上，再在一定温度和湿度下静置。优选地，步骤(1)所述PDMS和固化剂的质量比为10:1。优选地，步骤(1)所述PDMS和固化剂的混合是在离心机内以1500RPM转速搅拌10分钟。优选地，步骤(1)所述加热成型的温度控制在45～60℃。温度过高会使PDMS保水层硬度过大，柔性性能降低；温度过低会使PDMS保水层的固化效果差。优选地，步骤(2)所述离心搅拌的转速为1000RPM。优选地，步骤(2)加入葡萄糖酸δ-内酯后的离心搅拌时间控制在1～2分钟。搅拌时间过长会降低传感器敏感元件的均一性和稳定性，而搅拌时间过短会使海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ-内酯的混合不均匀。优选地，步骤(3)所述紫外线处理是将PDMS保水层暴露在200W、365nm的紫外线灯下照射1～3小时。照射时间过短会使PDMS保水层的亲水性能变差，而照射时间过长又会使保水层表面产生龟裂。优选地，步骤(3)所述3D打印时的温度为25℃，打印后于温度25℃、空气湿度90％的环境下静置5小时。优选地，步骤(3)所述将另一片同样经紫外线处理后的PDMS保水层覆盖其上后的处理方式为于温度50℃、空气湿度90％的环境下静置2小时。本专利技术还提供了由上述敏感元件构成的传感器，包括依次有线或无线连接的敏感元件、测量电路、AD转换电路和显示器。本专利技术利用离子交联的缓释体系水凝胶作为传感器主体，利用葡萄糖酸内酯缓慢释放乙二胺四乙酸二钠钙中的钙离子，钙离子与海藻酸钠单体形成离子交联，将水分子连接在网状结构内部，再利用一定的保水措施(两层PDMS将水凝胶夹裹)，减少水分的蒸发，透明的PDMS也不会影响水凝胶的高透光性，维持了传感器性能和功能的稳定。特殊的缓释体系保证了水凝胶质地的均匀，极大地降低了传感器自身对测量结果的影响。同时，也减少了不同个体水凝胶之间的差异。传感器核心部位(水凝胶)的制作采用3D打印技术，与传统水凝胶成型使用模具的方法相比，3D打印技术制作水凝胶更加便利，省去制作模具的时间和成本。同时，使用3D打印技术能够制作出的水凝胶形态更加多样，能够满足不同需求。3D打印是使用挤出式3D打印机，利用精密的定位系统和水凝胶挤出系统完成。整个3D打印系统安置在相对湿度较高的环境下，精确控制气体输出速率、输出量，进而较为准确的控制挤出水凝胶的宽度。本专利技术与现有触觉传感装置相比，有如下优点：(1)直观给出压力变化图像，利于对压力进行力学分析。(2)生物相容性高，适应人机一体化模式。(3)柔软度极高，反复形变不影响功能。(4)环境友好型材料，原料来源广泛，成本低。(5)图像重构过程无需复杂的计算反演，仅通过单片机即可实现控制，节约成本。附图说明图1是本专利技术PDMS-水凝胶-PDMS结构成型制备过程图；其中：1-PDMS保水层，2-水凝胶。图2是本专利技术水凝胶传感器电学性能图。图3是本专利技术传感器在手臂上的工作示意图；其中：10-敏感元件，20-电桥测量电路，30-AD转换电路，40-显示器。图4是本专利技术传感器在指尖上的工作示意图。图5是本专利技术传感器在机器人的机械手上的工作示意图。具体实施方式为更好理解本专利技术，下面结合实施例及附图对本专利技术作进本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，其特征在于：包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ‑内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。

【技术特征摘要】
1.基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，其特征在于：包括保水层基底及包裹在其内的水凝胶，所述水凝胶的溶质由海藻酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和葡萄糖酸δ-内酯以质量比2:(0.5～1.5):(0.5～1.5)构成，其中海藻酸钠的质量浓度为2～6％。2.根据权利要求1所述的基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，其特征在于：所述水凝胶在保水层中呈S型排布。3.根据权利要求1或2所述的基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件，其特征在于：所述保水层由PDMS组成。4.制备权利要求1～3任一项所述的基于透明生物材料的柔性力触觉传感器的敏感元件的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备PDMS保水层：将PDMS和固化剂按比例混合均匀，使用模具将混合物制成合适的形状，加热成型；(2)制备水凝胶：在去离子水中加入海藻酸钠和乙二胺四乙酸二钠钙，离心搅拌；在混合均匀后的胶体中加入葡萄糖酸δ-内酯，离心搅拌，使其混合均匀；(3)PDMS-水凝胶-PDMS结构成型：将配置好的水凝胶胶体通过3D打印机打印到经紫外线处理后的制备成型的PDMS保水层上，在一定温度和湿度下静置，再将另一片同样经紫外线处理后的PDMS保水层覆盖其上，再在一定温度和湿度下静置。5.根据权利要求4所述的基于透明...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨润怀，缪安琦，
申请(专利权)人：安徽医科大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34