CN108896219B - 柔性仿生电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性仿生电子皮肤及其制备方法。所述柔性仿生电子皮肤包括：压阻层；薄膜电极；所述压阻层至少部分地具有多孔结构，所述压阻层与薄膜电极接触，并且，在所述压阻层与所述薄膜电极接触界面区域的所述压阻层中至少部分地具有填充区域，所述填充区域中含有弹性体；其中，通过所述薄膜电极对所述压阻层的阻值进行检测，根据检测结果确定所述柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小。本发明的柔性仿生电子皮肤能够感受气流和压力的存在，并且其结构精巧，灵敏度高，并且柔性仿生电子皮肤具有一定的力学稳定性。

Description

柔性仿生电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性仿生电子皮肤及其制备方法，属于传感器和仿生技术领域。

背景技术

皮肤作为人体最大的器官，包覆在人体全身，能够感知外界环境(如温度、压力等)，并能够保护人体免受侵害；随着科学技术的进步，各种柔性电子器、机器人和智能假肢都在飞速发展，仿生电子皮肤也应运而生，使假肢或机器人的功能更接近于人体本身的功能，可以帮助那些身体有缺陷的人得到更好的生活改善。

现有技术中的电子皮肤，大多仅具有感知压力或温度等特点，并且加工工艺复杂，成本较高，不适合工业大规模的生产。另外，制备得到的电子皮肤的柔韧性较差，也不具有感受压力和气流的感知功能。

中国专利CN107123470A提供了一种柔弹性导电薄膜及其制备方法。该导电薄膜包括预拉伸的弹性基底、弹性连接体和纳米导线，弹性连接体位于预拉伸的弹性基底和纳米导线之间；预拉伸的弹性基底与弹性连接体接触形成粘结面；弹性连接体材料部分嵌入到纳米导线中形成混合过渡区用以增强粘接性能。但是，该导电薄膜的制备方法复杂，且不具有感受压力和气流的感知功能。

因此，研发一种具有能感受气流和压力的柔性仿生电子皮肤成为亟待解决的问题。

发明内容

发明要解决的问题

针对现有技术中所存在的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种能够感受气流和压力的柔性仿生电子皮肤。

本发明的另一目的在于提供一种柔性仿生电子皮肤的制备方法。

用于解决问题的方案

本发明提供一种柔性仿生电子皮肤，包括：

压阻层；

薄膜电极；

所述压阻层至少部分地具有多孔结构，

所述压阻层与薄膜电极接触，并且，

在所述压阻层与所述薄膜电极接触界面区域的所述压阻层中至少部分地具有填充区域，所述填充区域中含有弹性体；

其中，通过所述薄膜电极对所述压阻层的阻值进行检测，根据检测结果确定所述柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小。

根据本发明的柔性仿生电子皮肤，其中，在垂直于所述柔性仿生电子皮肤的方向上，设所述填充区域的最大长度为H₂，设所述压阻层的最大长度为H₁，则存在如下关系：

H₁≥1.5H₂。

根据本发明的柔性仿生电子皮肤，其中，所述压阻层包括三维碳纳米纤维材料，

优选地，所述三维碳纳米纤维材料的孔径为8-22μm，孔隙率为80-95％，密度为3-4kg/m³。

根据本发明的柔性仿生电子皮肤，其中，所述弹性体源自于硅橡胶、硅氧烷和热塑性弹性体中的一种或两种以上的组合，优选地，所述薄膜电极为柔性薄膜电极，优选为碳纳米管薄膜电极或石墨烯薄膜电极。

根据本发明的柔性仿生电子皮肤，其中，所述薄膜电极包括第一薄膜电极和第二薄膜电极，所述第一薄膜电极和所述第二薄膜电极在同一平面内。

本发明还提供一种柔性仿生电子皮肤的制备方法，包括：

压阻层与薄膜电极相连接的步骤；

在所述压阻层一侧形成填充区域的步骤；

其中，所述压阻层一侧的填充区域与所述薄膜电极临近，

所述压阻层至少部分地具有多孔结构，并且，所述填充区域中含有弹性体。

根据本发明的制备方法，包括如下步骤：

将所述压阻层与所述薄膜电极相连接，将弹性体溶液浇筑于所述压阻层与薄膜电极连接处周围的至少一部分，使得压阻层的一部分由所述弹性体溶液浸润，形成所述填充区域；

将所述填充区域至少部分地固化。

根据本发明的制备方法，其中，所述压阻层包括三维碳纳米纤维材料，所述三维碳纳米纤维材料通过静电纺丝的方法制备得到。

根据本发明的制备方法，其中，所述压阻层与所述薄膜电极使用导电胶粘剂进行连接，优选地，所述导电胶粘剂包括银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶中的一种或两种以上的组合。

根据本发明的制备方法，其中，所述弹性体溶液的瞬时黏度为2000-4000cps。

发明的效果

本发明的柔性仿生电子皮肤能够感受气流和压力的存在，其结构精巧，灵敏度高。并且，本发明的柔性仿生电子皮肤具有一定的力学稳定性。

进一步地，本发明的柔性仿生电子皮肤的制备方法，该制备方法的成本低、加工方式简单，适合工业大规模的生产。

附图说明

图1示出了本发明一实施例的柔性仿生电子皮肤的示意图；

图2示出了本发明一实施例的柔性仿生电子皮肤在轻轻吹动时的电阻变化情况；

图3示出了本发明一实施例的柔性仿生电子皮肤在呼吸情况下的电阻变化情况；

图4示出了本发明一实施例的柔性仿生电子皮肤在施加法向压力时的电阻变化情况。

附图标记说明：

1：压阻层；2：填充区域；3：薄膜电极；

31：第一薄膜电极；32：第二薄膜电极。

具体实施方式

以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

第一实施方式

本发明的第一实施方式中，提供了一种柔性仿生电子皮肤。如图1所示，所述柔性仿生电子皮肤包括：

压阻层1；

薄膜电极3；

所述压阻层1至少部分地具有多孔结构，

所述压阻层1与薄膜电极3接触，并且，

在所述压阻层1与薄膜电极3接触界面区域的所述压阻层1中至少部分地具有填充区域2，所述填充区域2中含有弹性体；其中，

以通过所述薄膜电极3对所述压阻层1的阻值进行检测，根据检测结果确定所述柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小。其中，所受到的力可以是柔性仿生电子皮肤上方的气体流动产生的力，还可以是物体施加于压阻层1的力。

在本发明中，柔性仿生电子皮肤的结构是基于生物体皮肤的生理结构特性确定的，以使得柔性仿生电子皮肤能够模拟生物体皮肤的功能进行工作。其中，压阻层1相当于生物体的皮肤上的汗毛，压阻层1中的填充区域2中含有的弹性体相当于生物体皮肤，薄膜电极3相当于生物体皮肤中的神经元。可以通过薄膜电极3对压阻层1的阻值进行检测，并使得计算机等终端设备根据检测结果确定柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小，相当于生物体皮肤受到刺激时，神经元将刺激以电信号的传递至大脑，以使大脑确定该刺激。具体而言：

<压阻层>

本发明的压阻层1，其至少部分地具有多孔结构。一般而言，本发明的压阻层1具有柔性和多孔结构。举例而言：本发明的压阻层1可以是通过具有柔性的多孔气体凝胶、多孔海绵、多孔橡胶等弹性材料制备得到。另外，本发明的压阻层1也可以是化学材料例如：塑料、纤维等，通过成孔工艺从而使得其具有柔性和多孔结构。所述成孔工艺可以选自：3D打印成孔工艺、冷冻干燥成孔工艺、粒子沥滤成孔工艺、发泡成孔工艺等中的一种。

本发明的压阻层1优选包括三维碳纳米纤维材料。三维碳纳米纤维材料可以是一种多孔的、超轻的、疏水性的、具有热稳定性的压阻材料，并且具有力学稳定性和柔性，其内部包括多根碳纳米纤维无序搭接排列的结构，当受到力的作用时，例如，压阻层1上方的气体流动对压阻层1所产生的压力；物体轻微碰触压阻层1，对压阻层1施加的压力。由于其超轻的特性，能够引起其内部碳纳米纤维之间的搭接情况发生变化，使得三维碳纳米纤维材料整体的电阻发生变化。

本发明的压阻层1可以采用同面电极对其电阻的变化情况进行检测。同面电极可以是在压阻层1的同一平面内的电极。例如，可以将两个电极放置在压阻层1的上表面来测量压阻层1的电阻的变化情况。

三维碳纳米纤维材料可以通过纤维原料制备得到。在本发明中，纤维原料可以为合成高分子纤维、天然高分子纤维中的一种或两种的组合。

具体地，本发明的合成高分子纤维可以是源自聚乳酸、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚醚砜树脂、聚酰胺、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚酰亚胺纤维、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚乙交酯-丙交酯、聚碳酸酯、聚氨基酸、聚羟基脂肪酸酯、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中一种或多种所得到的纤维，或者是源自这些聚合物中多种原料单体的共聚物所得到的纤维。本发明中的天然高分子纤维可以选自丝素蛋白、纤维蛋白中的一种或多种原料所制备的纤维。

进一步，本发明通过将上述纤维的原料经静电纺丝以得到连续纤维。静电纺丝的原理是在静电纺丝过程中，对聚合物液体施加高电压，使电荷引入液体。当液体中的电荷聚集到一定量的时候，液体会在喷头形成泰勒锥，在外加电场力的作用下克服表面张力形成液体射流，然后射流在静电斥力、库伦力(Coulomb)和表面张力的共同作用下，聚合物射流沿不规则螺旋状轨迹运动。射流在极短时间内被牵伸，随着溶剂挥发或者热量散失，聚合物射流固化形成微米/纳米纤维。静电纺丝过程中，很多参数会对最终静电纺丝纤维产生影响，通过控制过程参数，可以制备获得不同尺寸、形态和不同结构的微米/纳米纤维。

本发明中，只要能够满足制成纤维直径的要求，就对于静电纺丝的方式没有特别的要求，可以是本领域中常用的静电纺丝方式，具体而言，本发明中将反应原料或高分子材料溶于合适的溶剂中，制备成一定浓度的溶液。采用静电纺丝技术将原料溶液纺制成为直径0.1-100μm的纤维，纤维的形态可以为丝状、絮状、海绵状或膜片状纤维聚集体。

对于得到的纤维聚集体，可以采用3D打印成孔工艺、冷冻干燥成孔工艺、粒子沥滤成孔工艺、发泡成孔工艺中的一种以获得具有合适孔径、高孔隙率以及合适密度的三维碳纳米纤维材料。

进一步地，在制备过程中，也可以考虑在溶液中可以适当加入一定量的无机物，例如：无水氯化铝等。

将制备得到的纤维或纤维聚集体进行烧结，从而可以得到所需的三维碳纳米纤维材料。在本发明中，所述三维碳纳米纤维材料的孔径为8-22μm，孔隙率为80-95％，密度为3-4kg/m³(一般可以为空气密度的3倍)。

<薄膜电极>

本发明中，所述薄膜电极3与压阻层1接触，所述薄膜电极3优选为柔性薄膜电极。柔性薄膜电极是指具有机械柔性的电极，本发明对柔性薄膜电极没有特别的限定，一般具有柔性和导电性，且使用时不会断裂即可。

具体地，柔性薄膜电极按照组成可以分为两类：一类是自身具有柔性的单一型导电薄膜电极，如金属的电纺丝、碳纤维、结构型导电高分子聚合物等；另一类则是以柔性材料为基体，在其表面修饰或者体内掺杂导电体复合而形成的复合型柔性电极，这一类柔性电极的典型代表就是复合型的导电高分子薄膜电极，如碳纳米材料/高分子材料、金属/高分子材料等。

复合型的导电高分子薄膜电极一般是由复合型导电高分子材料制备得到。复合型导电高分子材料一般是由绝缘的高分子聚合物与导电材料两部分组合而成，通过调节两组分的比例来控制复合电极的性质。高分子聚合物和导电材料多种多样，从而致使此类复合电极的种类繁多；常用的掺杂导电材料除金属粉末以及结构型的导电高分子材料之外还有碳纳米材料，如碳纳米管(CNT)、石墨烯、硼参杂的金刚石(BDD)以及之前提到的碳纤维等。而用作基体的绝缘高分子聚合物则有聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚乙烯醇(PVA)、聚碳酸酯(PC)和硅树脂等。

在本发明中，可以选用自身具有柔性的单一型导电体作为柔性薄膜电极，例如，可以为碳纳米管薄膜电极或石墨烯薄膜电极等。当然，在本发明中也可以选用复合型的导电高分子薄膜电极，例如，可以为rGO/PET复合型薄膜电极、石墨烯/聚吡咯复合型薄膜电极、石墨烯/聚苯胺复合型薄膜电极、碳纳米管/PET复合型薄膜电极等。

本发明中，所述薄膜电极3包括第一薄膜电极31和第二薄膜电极32，所述第一薄膜电极31和所述第二薄膜电极32在同一平面内。

本发明的薄膜电极3具有柔性和力学稳定性，由于其柔软轻薄的特点，可以通过导电胶粘剂进一步与三维碳纳米纤维材料更加完美的贴合，减少由于接触电阻引起的电阻变化。当受到力的作用(例如：气流轻轻吹动所产生的压力)时，即三维碳纳米纤维材料的电阻发生变化时，通过薄膜电极3可以测出其电阻变化。

<填充区域>

在压阻层1与薄膜电极3接触界面区域的压阻层1中至少部分地具有填充区域2，填充区域2中含有弹性体。填充区域2可以作为电子皮肤的柔性衬底，所述弹性体填充于填充区域2中。由于本申请的压阻层1中至少部分地具有填充区域2，填充区域2能够起到一定的支撑作用，不仅使得三维碳纳米纤维材料能够得到更好的保护，且还能够使电子皮肤具备一定的可延展(拉伸)性和更好的柔性。

在本发明中，在垂直于所述柔性仿生电子皮肤的方向上，设所述填充区域2的最大长度为H₂，设所述压阻层1的最大长度为H₁，则存在如下关系：

H₁≥1.5H₂。

当H₁≥1.5H₂时，可以进一步增大电子皮肤感受到压力和气流的能力，优选地，H₁＝1.5H₂～10H₂。

在本发明中，所述“固化”指的是使弹性体由液态的使用形式变为固态的形式。对于固化的手段，例如可以采用烘干等形式将液态弹性体溶液中的溶液去除。在本发明一些优选的实施方案中，去除溶液可以在加热的条件下进行。在本发明“固化”的范畴内，允许弹性体内部至少部分地形成网络结构。这样的网络结构可以通过缩合形成共价键的形式来形成，也可以是介由分子间作用力等非共价键的形式来形成。弹性体在固化后可以具有一定的弹性，从而使本发明的柔性仿生电子皮肤进一步具备柔性。在本发明中，弹性体可以是硅橡胶、可以是硅氧烷、也可以是热塑性弹性体等。

一般而言，硅橡胶可以分为无机硅橡胶和有机硅橡胶，而在本发明中，所采用的硅橡胶优选为有机硅橡胶。有机硅橡胶是一种有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。其能够在弱应力下形变显著，应力松弛后能迅速恢复到接近原有状态和尺寸。

一般而言，常用的热塑性弹性体可以是热塑性聚烯烃弹性体、热塑性苯乙烯类弹性体、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酯类热塑性弹性体、聚酰胺热塑性弹性体、离子型热塑性弹性体、乙烯共聚物热塑性弹性体等。

硅橡胶例如可以是铂催化硅橡胶，例如：ecoflex0020、ecoflex0030等；再如：Dragon Skin 10(美国Smooth on公司生产)等。硅氧烷例如可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。

本发明一些优选的实施方案中，弹性体为硅橡胶、硅氧烷中的一种或两种的组合。

另外，在本发明所制备得到的柔性仿生电子皮肤的靠近所述薄膜电极3的一侧可以设置一层薄膜结构，所述薄膜结构可以是可剥离的，也可以是不可剥离的。在选用可剥离的薄膜结构的情况下，可剥离的薄膜结构可以是任意材料制备得到的，只要不改变柔性仿生电子皮肤的性能即可。在选用不可剥离的薄膜结构的情况下，不可剥离的薄膜结构的材料同样也应当是具有柔性的，且不能影响柔性仿生电子皮肤的使用。

<阻值检测>

在本发明中，可以通过薄膜电极3对压阻层1的阻值进行检测，根据检测结果确定柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小。柔性仿生电子皮肤所受到的力可以是压力。柔性仿生电子皮肤所受到的力可以物体挤压、碰撞压阻层1时，压阻层1所受到的力；还可以是气体(如空气)等流体在运动的过程中作用于压阻层1时，压阻层1所受到的力。

举例而言，如图1所示，压阻层1在法向方向(垂直于压阻层1的y方向)受到压力时，压阻层1在法向方向受到挤压发生形变，以使压阻层1的阻值发生变化。在本发明中，在压阻层1所受到的力来源于空气流动的情况下，可以通过检测到的压阻层1的阻值的变化情况，确定空气的流动速度等的变化，以及确定空气的流动速度发生变化的频率等。

第二实施方式

本发明的第二实施方式提供了柔性仿生电子皮肤的制备方法。所述方法包括如下步骤：

所述压阻层1与薄膜电极3相连接的步骤；

在压阻层1一侧形成填充区域2的步骤；

其中，所述压阻层1一侧的填充区域2与所述薄膜电极3临近，

所述压阻层1至少部分地具有多孔结构，并且，所述填充区域2中含有弹性体。

典型地，本发明的制备方法可以按照如下步骤进行：

将压阻层1与薄膜电极3相连接，将弹性体溶液浇筑于所述压阻层1与薄膜电极3连接处周围的至少一部分，使得压阻层1的一部分由所述弹性体溶液浸润，形成所述填充区域2；

将所述填充区域2固化。

另外，在本发明中，本发明对上述制备步骤的顺序不做具体限定，根据实际需要确定其顺序即可。具体而言，可以是先将压阻层1与薄膜电极3相连接，然后将弹性体溶液浇筑于所述压阻层1与薄膜电极3连接处周围的至少一部分，使得压阻层1的一部分由所述弹性体溶液浸润，形成所述填充区域2；也可以是先将弹性体溶液浇筑于所述压阻层1与薄膜电极3连接处周围的至少一部分，使得压阻层1的一部分由所述弹性体溶液浸润，然后再将压阻层1与薄膜电极3相连接；甚至可以是在将所述填充区域2固化后，再将压阻层1与薄膜电极3相连接。

优选地，先将压阻层1与薄膜电极3相连接，然后将弹性体溶液浇筑于所述压阻层1与薄膜电极3连接处周围的至少一部分，使得压阻层1的一部分由所述弹性体溶液浸润，形成所述填充区域2。更有利于实现压阻层1与薄膜电极3的连接。

具体地，所述压阻层1包括三维碳纳米纤维材料，可以采用静电纺丝技术制备得到。具体而言，预先准备用于形成纤维的原料，如将反应原料或高分子材料溶于合适的溶剂中，制备成一定浓度的溶液。所述溶液优选的在剪切力的作用下形成，如可以使用常规的搅拌设备，更典型地如使用磁力搅拌设备。

形成上述溶液的温度优选为40-80℃，对于形成溶液的溶剂种类的具体浓度没有特别的限定，只要是能够满足后续静电纺丝工艺的要求即可。典型地，溶剂可以使用水、烃系溶剂、卤代烃溶剂、酰胺类溶剂、醚类溶剂、酯类溶剂或含氟溶剂等。优选使用N,N二甲基甲酰胺。另外，在形成的溶液中，可以加入相应质量的无机物，例如：无水氯化铝，其在形成的溶液中的质量百分比为1-3wt.％。

采用静电纺丝技术将原料溶液纺制成为纤维直径0.1-100μm的丝状、絮状、海棉状或膜片状纤维聚集体。静电纺丝过程中可以通过调节纺丝参数(如进料速率、施加电压和接收距离等)、溶液参数(粘度和表面张力等)、接收工具和纺丝环境等制备所需的纤维或纤维聚集体。

将制备得到的纤维或纤维聚集体进行烧结，从而得到所需的三维碳纳米纤维材料。

在本发明优选的实施方式中，压阻层1与薄膜电极3使用导电胶粘剂进行连接，使得压阻层1与薄膜电极3可以更好的贴合。对于所使用的导电胶粘剂种类、组成等没有特别的限定，只要能够使得压阻层1与薄膜电极3可以贴合即可。

在本发明中，所述导电胶粘剂可以包括银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶中的一种或两种以上的组合。上述导电胶粘剂可以由高分子材料、改性胺类和复合导电成分组成，然后按比例配制得到性能稳定，粘结强度较高，工艺简便，室温固化或加温固化的导电胶粘剂。一般而言，复合导电成分可以是金、银、铜、含碳化合物等。

另外，本发明还可以选用其它导电胶粘剂，例如：环氧树脂导电胶、酚醛树脂导电胶、聚氨酯导电胶、热塑性树脂导电胶和聚酰亚胺导电胶等。

作为优选，本发明是采用银系导电胶将压阻层1与薄膜电极3进行连接的。由于薄膜电极3轻薄柔软，采用类似于液体的银系导电胶能与压阻层1更好的贴合。根据本发明的制备方法，所述弹性体溶液的瞬时黏度为2000-4000cps，例如3000cps。当弹性体溶液的瞬时黏度在本申请的范围内时，能够实现在垂直于所述柔性仿生电子皮肤的方向上，设所述填充区域2的最大长度为H₂，设所述压阻层1的最大长度为H₁，则存在如下关系：

H₁≥1.5H₂。

在本发明中，如果弹性体溶液的瞬时黏度低于2000cps，弹性体溶液会通过毛细力将压阻层1全部浸润，如果弹性体溶液的瞬时黏度高于4000cps，弹性体溶液不能浸润至压阻层1中，固化后仅仅在压阻层1与薄膜电极3接触界面区域的位置形成很少的填充区域2。而当弹性体溶液的瞬时黏度在本申请的范围内时，能够使得H₁≥1.5H₂，从而可以进一步增大电子皮肤感受到压力和气流的能力。

另外，在本发明优选的实施方式中，所述固化可以是自然冷却至固化或者于一定温度下加热至完全固化，例如：在40-80℃下加热1-3小时，以使得完全固化。

另外，本发明的柔性仿生电子皮肤的整体结构为柔性的，能够与柔性电子相集成。

实施例

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例首先制备了三维碳纳米纤维材料作为压阻层，然后采用ecoflex30作为弹性体的原材料，薄膜电极选用碳纳米管薄膜电极。具体制备步骤如下：

(1)将聚丙烯腈溶于N,N二甲基甲酰胺溶剂中，并在60℃下搅拌5小时；其中聚丙烯腈质量百分比为16wt.％；在上述静电纺丝基液中加入相应质量的无水氯化铝，使无水氯化铝在静电纺丝基液中的质量百分比为2wt.％，在60℃下搅拌5小时，然后在25℃静置1小时即得静电纺丝溶液；电压为13kV，针头内径为0.8mm，纺丝液体体积为7mL，纺丝液的推进速度为0.3ml/h，接收滚筒与喷丝头之间距离为25cm，接收滚筒速度为200rpm，空气相对湿度为20％；设置温度为200℃，保温时间为120分钟，自然冷却得到预氧化处理的聚丙烯腈-氯化铝纤维聚集体；将得到的预氧化处理的聚丙烯腈-氯化铝纤维聚集体进行裁剪后放入管式炉中烧结，设置温度为1050℃，升温速率为5℃/min。保温时间为90分钟。得到三维结构的三维碳纳米纤维材料，其中所述三维碳纳米纤维材料的孔径为8-22μm，孔隙率为86％，密度为3.6kg/m³。

(2)将制备得到的压阻层使用银系导电胶与碳纳米管薄膜电极粘接，且所述碳纳米管薄膜电极包括第一碳纳米管薄膜电极和第二碳纳米管薄膜电极，所述第一碳纳米管薄膜电极和所述第二碳纳米管薄膜电极在同一平面内。

(3)取ecoflex30的A组分和B组分按质量比为1:1混合后，均匀搅拌3min，抽真空至无气泡为止，制备得到硅橡胶溶液。将硅橡胶溶液浇筑在压阻层与碳纳米管薄膜电极连接处周围，使得压阻层的一部分由硅橡胶溶液浸润，形成填充区域。其中，在垂直于所述柔性仿生电子皮肤的方向上，设所述填充区域的最大长度为H₂，设所述压阻层的最大长度为H₁，则存在如下关系：H₁＝3H₂。然后于60℃加热2小时至完全固化，制备得到柔性仿生电子皮肤。

性能测试

三维碳纳米纤维材料的孔隙率测试方法为：利用3H-2000PB泡压法测试仪(贝士德仪器科技(北京)有限公司)，采用氮气按照气体压泡法进行测试。

感受气流变化测试：

对制备好的柔性仿生电子皮肤进行测试，用单路高精度电阻仪的夹头分别连接柔性仿生电子皮肤的第一碳纳米管薄膜电极和第二碳纳米管薄膜电极，然后用嘴轻轻吹动柔性仿生电子皮肤，测得的实验结果如图2所示；然后再将其贴在鼻孔下面嘴唇上面的柔性仿生电子皮肤处进行测试，实验结果如图3所示。

由图2可以看出，由于柔性仿生电子皮肤具有柔性，可以和皮肤很好的贴合，轻轻吹动时电阻会发生相应的变化，因此，本发明的电子皮肤可以感受气流的变化。

由图3可以看出，本申请的柔性仿生电子皮肤不仅可以感知鼻孔气流的扰动而且可以测出呼吸的频率。

感受压力测试：

切割一块横截面积为5×5mm，高度为3mm的柔性仿生电子皮肤作为试样，上表面和下表面分别用碳纳米管薄膜电极作为引线接入高精度电阻仪的正负电极上，测量其电阻值。然后将试样放在万能拉伸试验机上对其进行压缩实验，得到实验相对电阻值△R随法向压力变化的关系如图3所示：

△R＝R₀-R

其中：R₀是初始电阻值(Ω)；

R是电阻随压力变化的绝对值(Ω)；

△R是相对电阻值(％)。

由图4可以看出，本申请的柔性仿生电子皮肤随着法向压力的变化电阻会发生相应的变化，因此，可以感受压力的变化(例如大小的变化)。另外，由图3还可以看出，法向压力在0-0.03N之间时，本发明的柔性仿生电子皮肤感受压力变化的灵敏度更高。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种柔性仿生电子皮肤，其特征在于，包括：

压阻层；

薄膜电极；

所述压阻层至少部分地具有多孔结构，

所述压阻层与薄膜电极接触，并且，

在所述压阻层与所述薄膜电极接触界面区域的所述压阻层中至少部分地具有填充区域，所述填充区域中含有弹性体；

其中，通过所述薄膜电极对所述压阻层的阻值进行检测，根据检测结果确定所述柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小；

所述压阻层包括三维碳纳米纤维材料，所述三维碳纳米纤维材料通过静电纺丝的方法制备得到。

2.根据权利要求1所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，在垂直于所述柔性仿生电子皮肤的方向上，设所述填充区域的最大长度为H₂，设所述压阻层的最大长度为H₁，则存在如下关系：

H₁≥1.5H₂。

3.根据权利要求1或2所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，所述三维碳纳米纤维材料的孔径为8-22μm，孔隙率为80-95％，密度为3-4kg/m³。

4.根据权利要求1或2所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，所述弹性体源自于硅橡胶、硅氧烷和热塑性弹性体中的一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求4所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，所述薄膜电极为柔性薄膜电极。

6.根据权利要求5所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，所述薄膜电极为碳纳米管薄膜电极或石墨烯薄膜电极。

7.根据权利要求1或2所述的柔性仿生电子皮肤，其特征在于，所述薄膜电极包括第一薄膜电极和第二薄膜电极，所述第一薄膜电极和所述第二薄膜电极在同一平面内。

8.一种柔性仿生电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括：

压阻层与薄膜电极相连接的步骤；

在所述压阻层一侧形成填充区域的步骤；

其中，所述压阻层一侧的填充区域与所述薄膜电极临近，

所述压阻层至少部分地具有多孔结构，并且，所述填充区域中含有弹性体；

所述压阻层包括三维碳纳米纤维材料，所述三维碳纳米纤维材料通过静电纺丝的方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述压阻层与所述薄膜电极相连接，将弹性体溶液浇筑于所述压阻层与薄膜电极连接处周围的至少一部分，使得压阻层的一部分由所述弹性体溶液浸润，形成所述填充区域；

将所述填充区域至少部分地固化。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述压阻层与所述薄膜电极使用导电胶粘剂进行连接。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述导电胶粘剂包括银系导电胶、金系导电胶、铜系导电胶和炭系导电胶中的一种或两种以上的组合。

12.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述弹性体溶液的瞬时黏度为2000-4000cps。