Nano Energy: 基于摩擦电-压电-热电多效耦合机制的自供电柔性抗菌触觉传感器

【引言】

近年来，触觉传感器在电子皮肤、软机器人、人工假肢、医疗监护等领域得到了广泛的关注。触觉传感器作为感知触觉刺激的重要组成部分，其工作原理是测量对外部机械刺激的电信号。一般来说，触觉传感器的主要传导机制包括电容、电阻率和压电性。在大多数研究中，触觉传感器只能检测到一个独特的传感参数。然而，同时感知多种外部刺激，如压力、触觉、电刺激、电刺激、电刺激等。天然气和热量是感知周围环境并尽量避免损害的关键。它可以通过将单个传感器与不同的机构集成来实现。但是在单个架构中实现多功能传感仍然是一个巨大的挑战。开发基于多效应的触觉传感器以实现多功能的感知功能，可能是一个有前途和可行的解决方案。

外部电源或电池在传统触觉传感器中总是必不可少的。这一严重缺陷将阻碍触觉传感器朝着经济、智能、便携和环境可持续的方向发展。近年来，自供电传感系统的出现为解决电力问题提供了解决方案。自供电传感系统采用了摩擦电、压电、热电、热电等多种机制。机械刺激产生的信号，同时产生的电信号作为传感信号。因此，自供电传感可以成为一种理想的方法，以促进触觉传感器在各种环境下的适应性。此外，触觉传感器接触频繁，容易滋生细菌，对人体健康构成巨大威胁。在这种情况下，抗菌特性是触觉传感器防止细菌感染的重要性能优化。

【成果简介】

近日，北京科技大学的张跃教授和廖庆亮教授（共同通讯作者）在自供电柔性抗菌触觉传感器领域取得重要进展。研究成果以题为“Self-powered flexible antibacterial tactile sensor based on triboelectric-piezoelectric-pyroelectric  multi-effect  coupling  mechanism”发表在Nano Energy上。该研究报道了一种由内石墨烯电极、外聚四氟乙烯（PTFE）和聚偏氟乙烯（PVDF）膜组成的三明治结构的自供电柔性抗菌触觉传感器。基于PTFE的摩擦电效应和PVDF的压电和热释电效应，该传感器实现了多功能触觉传感。利用不同响应时间的摩擦电压电效应和热释电效应，通过分析耦合的双峰电压信号，实现了压力和温度的同时传感。值得注意的是，它可以完全自行供电，无需外部电源。触觉传感器具有很高的灵活性，可以实现对曲面的实时监测。此外，它还具有很强的抗菌活性，有利于在电子皮肤、人工假肢和健康监测等方面的潜在应用。

【图文简介】

图1 器件构建

（a）自供电抗菌触觉传感器示意图。插图是一个像素的放大图。

（b）传感器的制造工艺示意图。

（c）一个像素的15个横截面扫描电镜图像。

（d）银纳米晶的扫描电镜图像。

（e）空白和Ag NWs @ PTFE对大肠杆菌的抑制试验照片

图2 工作机制

（a）I-II：基于摩擦电效应和压电效应的压力传感的工作机理；III：基于摩擦电-压电效应增强耦合的压力传感机理。

（b）基于热电效应的温度传感机制。

图3 性能表征1

（a）在12.5千帕的压力刺激下，触觉传感器的输出电压。

（b）（a）中放大的响应信号，显示响应时间。

（c）触觉传感器的压力响应曲线。

（d）温度刺激44？时触觉传感器的输出电压

（e）（d）中放大的响应信号，显示响应时间。

（f）触觉传感器的温度响应曲线

图4 性能表征2

（a）触觉传感器对38千帕和37度压力和温度耦合刺激的电压响应，分别是。

（b）（a）中电压信号放大图。

（c）（a）中的v1和v2峰值响应。

（d）触觉传感器对38千帕和15？的压力和温度耦合刺激的电压响应。，分别是。

（e）（d）中电压信号放大图。

（f）（d）中的v1和v2峰值响应。

图5 性能表征3

（a）在约12.5千帕的恒定压力下，触觉传感器对各种温度的电压响应。（c）触觉传感器在约30℃高温下对各种压力的电压响应。

（e）在约21℃的低温下，触觉传感器对各种压力的电压响应。

（b，d，f）（a，c，e）中压力和温度的计算值和实际值的比较图。

图6 应用演示

（a）触觉传感器的光学图像。

（b）在折叠条件下触觉传感器的光学图像，表明其高柔韧性。

（c）从胶带上取下的传感器光学图像。

（d）演示小传感器卡在水滴上。

（e）传感器在工作约10000个循环后的输出性能。

（f）当用手指触摸气缸体时，传感器的输出电压。

（g-h）用手指和冷棒接触手腕时传感器的输出电压。

【小结】

本文提出了一种具有三明治结构的自供电柔性抗菌触觉传感器。通过将耦合电压信号分离为两个不同响应时间的电压峰值，采用摩擦电-压电-热电多效应耦合的简单策略，实现了压力和温度的多模态传感。有趣的是，由于独特的机制，它可以获得无需额外功率的自供电传感。该触觉传感器具有很高的灵活性，可以对曲面进行触觉监测。此外，抗菌性能也被证明在保健领域有广阔的应用前景。该触觉传感器具有自供电、多功能、抗菌、易加工等特点。

文章链接Self-powered flexible antibacterial tactile sensor based on triboelectric-piezoelectric-pyroelectric  multi-effect  coupling  mechanism, 2019, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104105.