一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器及其构筑方法技术

本发明专利技术提供一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器及其构筑方法，涉及仿生传感技术领域。本发明专利技术的类人机械感受器的结构自上而下分别为：薄膜层、上层岛状微结构电极、多级孔纤维间隔层、下层岛状微结构电极、封装层；上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的边缘连接有导电线；上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的岛状微结构相对设置。本发明专利技术类人机械感受器对恒定的静态刺激表现出连续响应，仅在动态刺激施加和释放的瞬间产生响应，同时具有极高的灵敏度。该类人机械感受器的制备工艺简单，成本低廉，适合大规模制备，为复杂刺激的探测提供了新的方向，在类人机器人、人工假肢等领域有良好的应用前景。等领域有良好的应用前景。等领域有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器及其构筑方法


[0001]本专利技术涉及仿生传感
，特别是涉及一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器及其构筑方法。

技术介绍

[0002]触觉传感器能够通过直接接触并感知周围环境的特性，在类人机器人、人工假肢和人机界面等应用领域表现出极大的潜力。这对触觉传感器探测精确复杂刺激的能力提出了要求。这就要求触觉传感器能够在灵敏度和对不同刺激的适应性响应方面表现出优异的性能。自选择性响应使其能够对复杂的刺激产生更多类型的特征峰信号，高灵敏度使其能够对细微的刺激产生易于分辨的特征信号。
[0003]人类具有高度灵敏和自选择性响应的触觉，在复杂刺激的探测方面具有巨大的优势。当皮肤受到外部刺激时，人类皮肤中独特的表皮真皮微结构首先聚焦并放大刺激。然后，分布在表皮和真皮中的机械感受器将这些刺激转换为电信号(Chortos A,Liu,J,Bao Z,et al.Nat.Mater.2016,15:937.)。SA机械感受器(Merkel圆盘和Ruffini圆柱体)主要对恒定的静态刺激表现出连续响应，而FA机械感受器在施加和移除动态刺激时表现出瞬间的响应(Abraira V,Ginty,D.Neuron 2013,79:618.)。因此，模拟皮肤的结构和功能是开发能够探测复杂刺激的触觉传感器的理想手段。
[0004]受表皮真皮互锁微脊结构的启发，目前已经提出了基于互锁微结构(如金字塔阵列、微半球阵列)的触觉传感器(Ma C,Xu D,Huang Y,et al.ACS Nano 2020,14:12866.[5]Ma C,Xu D,Huang Y,et al.ACS Nano 2014,8:12020.)。然而，由于这些微结构的尺寸均匀和封装过程引起的预加载应力大，使其灵敏度依然较低。受SA和FA机械感受器功能的启发，许多关于触觉传感器的研究被报道用于检测刺激。其中，压阻式和电容式传感器适合模拟SA机械感受器，因为它们可以对静态刺激产生持续的信号，而摩擦电式和压电式传感器适合模拟FA机械感受器，因为它们可以对动态刺激产生瞬时信号输出(Pyo S,Lee J,Bae K,et al.Adv.Mater.2021,33:2005902.)。它们通常检测静态或动态刺激，难以满足探测复杂刺激的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器及其构筑方法，以解决上述现有技术存在的问题，本专利技术通过压阻和摩擦电效应复合和分级互锁岛状微结构及多级孔纤维间隔层的设计，赋予了类人机械感受器对不同刺激的自选择性响应，并大大提升了对刺激的响应灵敏度，该类人机械感受器的制备工艺简单，成本低廉，适合大规模制备，为复杂刺激的探测提供了新的方向，在类人机器人、人工假肢等领域有良好的应用前景。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种类人机械感受器，所述类人机械感受器的结构自上而下分别为：
[0008]薄膜层、上层岛状微结构电极、多级孔纤维间隔层、下层岛状微结构电极、封装层；
[0009]其中，所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的边缘连接有导电线；
[0010]所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的岛状微结构相对设置。
[0011]本专利技术还提供上述类人机械感受器的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)岛状微结构电极的制备：
[0013]a.将PDMS预聚物和固化剂的混合物涂布于疏水处理后的砂纸模板上，干燥，得到具有岛状微结构的PDMS薄膜；
[0014]b.将导电低维材料和表面活性剂于壳聚糖溶液中分散，得到导电溶液；
[0015]所述壳聚糖溶液为壳聚糖乙酸溶液，质量浓度为1wt％。
[0016]所述导电溶液中，表面活性剂的量为0.5
‑
1.0mg/mL，导电低维材料的量为5
‑
20mg/mL，壳聚糖的质量浓度为1wt％。
[0017]c.将所述导电溶液涂布于所述具有岛状微结构的PDMS薄膜表面，干燥，得到岛状微结构电极；
[0018](2)连接导电线：利用粘合剂将导电线连接在岛状微结构电极的边缘；
[0019](3)多级孔纤维间隔层的制备：将聚氨酯溶液于步骤(2)中连接有导电线的岛状微结构电极表面进行静电纺丝处理，获得多级孔纤维间隔层并进行干燥；
[0020]所述静电纺丝处理的优选参数为：所述连接有导电线的岛状微结构电极表面与针头的距离为10cm，针头内径为0.21mm，泵送速率为0.2mL
·
h
‑1，针的移动速度为80mm
·
s
‑1，输出电压设置为20kV，静电纺丝时间为0.5
‑
1.5min，优选1min。
[0021](4)类人机械感受器的构建：将两个步骤(3)得到的表面具有多级孔纤维间隔层的岛状微结构电极相对放置，分别作为所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极，之后利用所述薄膜层和封装层进行封装，得到所述类人机械感受器。
[0022]岛状微结构是以砂纸为模板制备的。砂纸模板的目数范围为80到1000目，优选240目。
[0023]进一步地，步骤a中所述干燥条件为：90～100℃下真空干燥4h以上；步骤c中所述干燥条件为：60～80℃下真空干燥12h以上；步骤(3)中所述干燥温度为60
‑
80℃，时间为2h以上。
[0024]进一步地，所述PDMS预聚物和固化剂的质量比为5～10:1。
[0025]进一步地，所述聚氨酯溶液的质量浓度为15～20％。
[0026]所述聚氨酯溶液为聚氨酯溶解于四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合溶液，其中四氢呋喃和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为3:2。
[0027]进一步地，所述疏水处理包括等离子体疏水镀膜处理或利用疏水剂进行表面修饰疏水涂层。
[0028]进一步地，所述具有岛状微结构的PDMS薄膜厚度为100
‑
500μm。
[0029]进一步地，所述薄膜层为柔性聚合物薄膜。
[0030]本专利技术岛状微结构具有密集的各种尺寸的表面突起和凹槽，可以提高结构的可压缩性。当施加较小的刺激时，大尺寸的突起就会克服PUNWs间隔层的隔离，透过间隔层的大孔形成接触点。由于较小的刺激形成的接触面积较小，类人机械感受器显示出较低的电流。随着刺激的增加，小突起之间可以通过较小的孔隙增加接触面积，并且突起和凹槽之间可
以通过孔隙接触，导致电流进一步增加。当刺激的进一步增大，突起开始逐渐填充凹槽。突起和凹槽之间的接触面显著增加，导致电流急剧增加。
[0031]本专利技术公开了以下技术效果：
[0032]本专利技术提供了一种自选择性和高灵敏度的类人机械感受器，包含同时作为摩擦电模式摩擦层和压阻模式封装层的薄膜层、摩擦电模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种类人机械感受器，其特征在于，所述类人机械感受器的结构自上而下分别为：薄膜层、上层岛状微结构电极、多级孔纤维间隔层、下层岛状微结构电极、封装层；其中，所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的边缘连接有导电线；所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极的岛状微结构相对设置。2.如权利要求1所述的类人机械感受器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)岛状微结构电极的制备：a.将PDMS预聚物和固化剂的混合物涂布于疏水处理后的砂纸模板上，干燥，得到具有岛状微结构的PDMS薄膜；b.将导电低维材料和表面活性剂于壳聚糖溶液中分散，得到导电溶液；c.将所述导电溶液涂布于所述具有岛状微结构的PDMS薄膜表面，干燥，得到岛状微结构电极；(2)连接导电线：利用粘合剂将导电线连接在岛状微结构电极的边缘；(3)多级孔纤维间隔层的制备：将聚氨酯溶液于步骤(2)中连接有导电线的岛状微结构电极表面进行静电纺丝处理，获得多级孔纤维间隔层并进行干燥；(4)类人机械感受器的构建：将两个步骤(3)得到的表面具有多级孔纤维间隔层的岛状微结构电极相对放置，分别作为所述上层岛状微结构电极和下层岛状微结构电极，之...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，毕舒馨，廖庆亮，赵璇，高放放，赵斌，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：