Nano Letters:可编程摩擦电折纸传感器,用于多维压力监测

第一作者：Tao Liu

通讯作者：Shuangxi Nie，Dengjun Lu，Lijun Wang

通讯单位：广西大学

DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05773

受生物启发的触觉系统已日益成为可穿戴电子设备、智能机器人和人机交互领域的一个关键研究前沿。在自然界中，许多生物体都能够同时感知外部应力的强度和方向。例如，人体皮肤中的机械感受器网络不仅可以区分触觉强度，还可以同时感知施加力的方向和变化。这种多维感知能力是实现精确运动控制、物体操纵以及与环境进行复杂交互的基础。因此，赋予应力传感器方向敏感性对于提高人工触觉系统的精度和多维感知能力至关重要。

自供电摩擦电传感技术具有高灵敏度和结构简单的优点；然而，大多数现有传感器采用二维平面结构，其输出信号主要响应外部应力大小的变化，而在识别应力方向方面存在明显的局限性。这种局限性源于方向识别高度依赖于传感材料的各向异性响应特性。传统的二维薄膜通常缺乏这种特性，其响应仅限于应力大小的变化，难以有效区分力的方向。即使采用多通道矩阵设计，其识别能力通常也仅限于平面二维应力检测，不足以实现真正的三维感知。相比之下，空间三维结构自然地引入了方向性，为多维方向感知提供了一种潜在的解决方案。基于纸张空间折叠的折纸艺术，可以引导材料从二维（2D）结构可编程地转变为任意三维（3D）形状，从而可以根据功能和应用设计结构。3D折纸结构优异的弹性赋予传感器卓越的空间响应能力，使其能够在单个结构内同时感知压力大小和加载方向，并通过折痕设计优化多通道信号的分辨率。然而，目前尚未有报道能够实现方向应力感知的基于折纸的电子器件。合理设计导电层和响应材料的多维空间结构，以开发具有多维应力感知能力的折纸传感器仍然极具挑战性。

1. 本工作受折纸艺术的启发，将自折叠技术与复合材料加载相结合，构建了可编程三维折纸传感器。

2. 这种设计能够灵活组装多通道传感阵列，将单点信号转换为多维响应，同时获取应力强度和方向信息。结合深度学习算法，该折纸传感器实现了97.8%的识别准确率。

3. 结构设计增强了传感器的响应性能，其灵敏度约为基底材料的130倍，同时其输出功率密度可与各种先进传感器媲美。

图1. 可编程摩擦电折纸传感器的概念示意图。(a) 摩擦电材料结构的示意图。(b) 摩擦电材料接触起电过程示意图。(c) 折纸结构形成过程示意图。(d) 摩擦电对在分离和压缩状态下的示意图。(e) 可编程摩擦电传感器的结构示意图，插图显示了相应的实物图像。(f) 多维压力传感示意图。

图2. 摩擦电材料的表征和结构特征。(a) MXene 和 CNF 之间形成的氢键网络的示意图。(b) 材料的傅里叶变换红外光谱 (FT-IR)。(c) CNF、MXene 和 MXene@CNF 的 X 射线衍射 (XRD) 图谱。(d) CNF 和 MXene@CNF 的表面扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(e) MXene@CNF 表面元素分布。(f) CNF 和 MXene@CNF 的拉伸强度和杨氏模量比较。

图3. 摩擦电材料的电学性能。(a) 材料的制备过程。(b) 微结构尺寸示意图。(c-e) 微结构直径对电学性能的影响。(f) 微结构密度示意图。(g-i) 微结构密度对电学性能的影响。(j) MXene 浓度示意图。(k-m) MXene 浓度对电学性能的影响。

图4. O-TENG 的结构设计和自供电传感。(a) 折痕图案和传感器组装示意图。(b) O-TENG 的结构图。(c) O-TENG 的工作机制。(d) 光滑摩擦电薄膜、微结构摩擦电薄膜和 O-TENG 的输出电压比较。(e) 光滑摩擦电薄膜、微结构摩擦电薄膜和 O-TENG 的输出功率密度比较。(f) O-TENG 的输出功率密度与先前报道的器件的比较。(g) 由 O-TENG 供电的电容器的充电曲线。(h) 工作频率对输出性能的影响。(i) O-TENG 在 10000 个工作周期内的输出稳定性。

图5. 折纸传感器的应用演示。（a）多维压力传感阵列的示意图和照片。（b）应力强度对输出的影响。（c）传感器的响应时间。（d）光滑摩擦电材料、微结构摩擦电材料和O-TENG的传感灵敏度比较。（e）传感器在不同方向力作用下的变形示意图。（f）深度学习框架示意图。（g）深度学习模型的训练损失曲线。（h）训练识别的混淆矩阵。（i）验证识别的混淆矩阵。