一种仿生纤毛电子皮肤及其制备方法

文档序号:40094523发布日期:2024-11-27 11:39阅读:11来源:国知局
一种仿生纤毛电子皮肤及其制备方法

本发明属于电子皮肤,具体涉及一种仿生纤毛电子皮肤及其制备方法。


背景技术:

1、以人类皮肤为灵感,模仿皮肤特性的电子设备被称为“电子皮肤”(e-skins),最近随着材料和加工技术的创新而出现。电子皮肤因其能够检测各式各样的信号被广泛应用于健康监测、机器人触觉感知、仿生义肢等领域。电子皮肤功能器件主要以柔性衬底上的压力传感器阵列为基础,目前已经涵盖了广泛的物理和化学传感模式,包括但不限于温度、应变、电生理、离子、生物标志物、代谢物、气体等。除了柔软可弯折的基底材料,电子皮肤还需要实现线路连接和功能感知的导电功能材料。导电功能材料的柔性对于电子皮肤在拉伸、压缩状态下维持传感性能具有重要意义。

2、电子皮肤是附着在人体表面可感知外界刺激的可伸缩柔性传感器,因质量轻、模量低、成本低、灵活性高以及可拉伸性好等特点而受到广泛关注。目前,柔性、可拉伸的仿生传感电子技术在人机界面、机器人智能皮肤、医疗监控、生物集成设备等领域得到了广泛关注。与传统的刚性、脆性硅基电子相比,柔性、可拉伸传感电子由于弹性特性,能够有效地在曲面上捕获高质量信号,在可预见的智能时代有望发挥重要作用。

3、但是,目前大多数柔性电子皮肤并不同时具有高灵敏度和较宽的检测范围。它们的检测范围通常非常窄,当它们在相当大甚至中等压力下时,它们的灵敏度迅速下降,这限制了它们在柔性传感器、集成电子皮肤、人类健康监测设备中的应用。


技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种仿生纤毛电子皮肤及其制备方法,本发明提供的仿生纤毛电子皮肤同时具备传感范围宽、响应时间短和传感灵敏度高的特点,具有在平面及曲面环境中的传感性能,能够成功实现表面形貌识别、盲文读取、仿生皮肤分化功能的应用。

2、为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

3、本发明提供了一种仿生纤毛电子皮肤,包括柔性基底,设置在所述柔性基底表面的柔性线路层,设置在所述柔性线路层表面的柔性纤毛层;

4、所述柔性线路层设置有二维线路阵列,所述二维线路阵列由二维线路单元阵列排布形成,所述二维线路单元由二维线路微通道形成;

5、所述柔性纤毛层设置有纤毛传感阵列,所述纤毛传感阵列由纤毛传感单元阵列排布形成,所述纤毛传感单元为三维纤毛状结构;

6、所述纤毛传感单元在柔性基底表面的正投影面积与所述二维线路单元在所述柔性基底表面的正投影面积至少部分重合;

7、所述仿生纤毛电子皮肤还包括填充在所述二维线路微通道内的液态金属。

8、优选的,所述二维线路单元的形状为二维线路微通道形成的方形螺旋线图形;所述二维线路单元的边长为3mm,线路密度为32.0cm-1;相邻2个二维线路单元之间的间距为1~2mm;所述二维线路微通道的截面形状为0.1×0.1mm2的正方形。

9、优选的,所述三维纤毛状结构的形状为实心圆锥体,所述三维纤毛状结构的底面直径为0.8~2mm,高度为2.5~4.5mm。

10、优选的,所述柔性基底、柔性线路层和柔性纤毛层的厚度均为0.5mm;

11、所述柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷;所述柔性线路层和柔性纤毛层的材料为铂催化硅橡胶;所述液态金属为氧化的egain,所述氧化的egain的表面张力为517mn·m-1,粘度为2.3×104mpa·s。

12、优选的,所述氧化的egain的制备方法包括以下步骤:

13、将所述egain、无机强碱和水混合进行氧化,得到氧化的egain;所述氧化的时间为2~6h。

14、本发明提供了上述技术方案所述的仿生纤毛电子皮肤的制备方法,包括以下步骤:

15、采用3d打印的方法得到纤毛模板、线路模板和空白底板;

16、采用模板法,以纤毛模板、线路模板和空白底板分别制备得到柔性纤毛层、柔性线路层和未完全固化状态的柔性基底;

17、将所述柔性纤毛层、柔性线路层和未完全固化状态的柔性基底依次层叠设置后进行键合,得到半成品;

18、向所述半成品的二维线路微通道内注入液态金属,得到所述仿生纤毛电子皮肤。

19、优选的,所述3d打印使用的原料为光敏树脂;所述3d打印直接得到初始态纤毛模板或初始态线路模板;

20、得到初始态纤毛模板后,还包括:将所述初始态纤毛模板依次进行洗涤、光固化和疏水处理,得到所述纤毛模板;

21、得到初始态线路模板后,还包括:将所述初始态线路模板依次进行洗涤和光固化,得到所述线路模板。

22、优选的,采用模板法制备柔性纤毛层或柔性线路层包括以下步骤:

23、将铂催化硅橡胶的a组分和b组分混合后涂覆在所述纤毛模板或线路模板中,热固化后脱模,得到柔性纤毛层或柔性线路层;

24、所述涂覆的厚度为0.5mm;热固化的温度为45℃,时间为20min。

25、优选的,采用模板法制备未完全固化状态的柔性基底包括以下步骤:

26、将聚二甲基硅氧烷的基本组分和固化剂混合后涂覆在空白底板中,热固化后脱模,得到未完全固化状态的柔性基底;

27、所述涂覆的厚度为0.5mm,热固化的温度为45℃,时间为2.5h。

28、本发明提供了上述技术方案所述的仿生纤毛电子皮肤或上述技术方案所述的制备方法制备得到的仿生纤毛电子皮肤在构建仿生机器人、制备智能义肢或制备多维度检测设备中的应用。

29、本发明提供了一种仿生纤毛电子皮肤,包括柔性基底,设置在所述柔性基底表面的柔性线路层,设置在所述柔性线路层表面的柔性纤毛层;所述柔性线路层设置有二维线路阵列,所述二维线路阵列由二维线路单元阵列排布形成,所述二维线路单元由二维线路微通道形成;所述柔性纤毛层设置有纤毛传感阵列,所述纤毛传感阵列由纤毛传感单元阵列排布形成,所述纤毛传感单元为三维纤毛状结构;所述纤毛传感单元在柔性基底表面的正投影面积与所述二维线路单元在所述柔性基底表面的正投影面积至少部分重合;所述仿生纤毛电子皮肤还包括填充在所述二维线路微通道内的液态金属。本发明在二维传感器件上结合三维结构,可以极大提高柔性传感器的传感范围,实现了本发明制备的仿生纤毛电子皮肤从基本的贴合触控及生理信号的感知,到弯曲折叠的感知,甚至到表面物体形貌及气体和流体传感。由实施例的结果可知:本发明制备的仿生纤毛电子皮肤,单纤毛传感单元具备1-25hz的频率检测范围及0.4s的响应时间,可以对15°~60°弯曲范围进行线性传感。在功能应用方面,单纤毛传感单元可以对各种表面形貌进行精度高达0.2mm有效识别,集成化的纤毛传感阵列可以实现对盲文的快速读取。本发明将二维传感单元同纤毛传感单元结合,模拟皮肤分化功能实现了电子皮肤的功能分化,成功实现了表面触控、表面滑动及表面气流速度等多个不同检测传感功能的实时监测。

30、本发明提供了上述技术方案所述的仿生纤毛电子皮肤的制备方法,包括以下步骤:采用3d打印的方法得到纤毛模板、线路模板和空白底板;采用模板法,以纤毛模板、线路模板和空白底板分别制备得到柔性纤毛层、柔性线路层和未完全固化状态的柔性基底;将所述柔性纤毛层、柔性线路层和未完全固化状态的柔性基底依次层叠设置后进行键合,得到半成品;向所述半成品的二维线路微通道内注入液态金属,得到所述仿生纤毛电子皮肤。本发明提供的制备方法采用增材制造(3d打印)的方法,通过模板法,制作柔性的仿生纤毛电子皮肤电子器件。本发明将其模块化组装后,可以得到高性能的柔性仿生纤毛电子皮肤,同时通过在模板上预留纤毛孔位脱模法,本发明能够同步在电子皮肤表层制备可定制的纤毛结构,突破传统柔性电子皮肤单一维度检测的限制,实现触控、滑动及和气流的实时检测传感监测。

31、综上,本发明提供的仿生纤毛电子皮肤中柔性线路层具有跨越三个数量级的传感范围(10~22000pa),和快速响应时间(0.14s);纤毛电子皮肤传感单元(底面直径d=2mm,纤毛长度h=3.5mm)具有15°~60°弯曲线性传感范围,0.4s的快速响应时间以及1-25hz宽频范围能力。2mm的临界间距使得纤毛电子皮肤具备人体指尖的两点分辨能力。在复杂曲面环境(曲率半径≥6mm)下所具备的与平面环境相同的线性传感范围(15°-60°),意味该电子皮肤可以适应人体表面的曲面环境。本发明在成功制备纤毛电子皮肤的基础上,本发明对其进行了具体的功能应用。单纤毛电子皮肤可以对不同表面形貌进行准确识别测量,对于四面体、正方体和半球体的结构可以达到0.2mm的分辨率。多纤毛电子皮肤可以对盲文进行快速读取,综合三个传感单元的信号分析可以快速识别出盲文。本发明还设计了嵌入式刚性结构,以此来提高对气流的感知能力,通过多点触控、滑动触控结合气流作用实验研究,纤毛电子皮肤可以实现在曲面环境中对压力识别、轨迹识别和气流三者的同时检测,在仿生电子皮肤分化功能方面具有优异的能力。

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