CN109986599A - 摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人 - Google Patents

摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人，所述摩擦电光智能皮肤，包括：弹性体；光致发光颗粒，分散在所述弹性体中；以及光栅，具有微裂纹结构，其嵌入在所述弹性体中并覆盖所述光致发光颗粒；其中，在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。本公开摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人具有较好的灵敏度、可逆性和稳定性，通过耦合可调光致发光和摩擦纳米发电机，可以利用光信号传感横向拉伸应变，还可以通过电信号来传感纵向压力，实现了多维度的机械力传感。

Description

摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人
技术领域
本公开涉及光致发光及摩擦发电技术领域，具体地，涉及一种可拉伸摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人。
背景技术
智能皮肤作为一种仿生生物皮肤的电子器件，需要具备生物皮肤的多种特性，例如可拉伸性，触摸传感特性等。此外，对人类来说，皮肤可以将外部刺激转化为生理信号，然后进一步被大脑翻译；同时，皮肤可以说是灵敏度最高，最为复杂的传感网络之一。所以，智能皮肤作为机器人和外部环境的媒介，需要具有监测多种外部刺激的能力，同时应当具有适当的传感范围和较高的灵敏度。近年来，许多研究小组基于压力传感器研制了一系列人造智能皮肤。但是，由于不具有拉伸性能和缺少横向拉伸传感的性能，大大限制了这些人造智能皮肤的应用范围。
除了人类皮肤之外，对于一些动物或昆虫，它们的皮肤有时还具有一些特殊的功能。例如，一些头足类动物可以通过它们皮肤的色素细胞和表面结构来改变皮肤的发光强度或者表面的颜色，从而进行交流和伪装。近年来，一些研究小组基于新型的力致发光或力致发光变色材料研制了一系列自驱动器件。这些器件能够通过改变发光的强度或者颜色来响应外部的机械力刺激。但是，这些器件往往需要较大的应力来产生力致发光或力致发光变色。并且当被用于机械力传感时，这些器件也不具有较好的可逆性和稳定性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种可拉伸摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人。所述可拉伸摩擦电光智能皮肤具有较好的灵敏度、可逆性和稳定性，通过耦合可调光致发光和摩擦纳米发电机，可以利用光信号传感横向拉伸应变，同时还可以通过电信号来传感纵向压力；并且，这两种传感特性可以是同时和独立的，实现了多维度的机械力传感。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种摩擦电光智能皮肤，包括：弹性体；光致发光颗粒，分散在所述弹性体中；以及光栅，具有微裂纹结构，其嵌入在所述弹性体中并覆盖所述光致发光颗粒；其中，在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。
在一些实施例中，所述光致发光颗粒为荧光颗粒和/或磷光颗粒，均匀分散在所述弹性体中，形成荧光弹性体和/或磷光弹性体；在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化使所述荧光弹性体和/或磷光弹性体裸露的面积改变，从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。
在一些实施例中，所述的摩擦电光智能皮肤，还包括：可拉伸电极，嵌入在所述弹性体中，在纵向应力作用下，通过接触起电产生的电信号以传感纵向接触压力，从而实现多维度机械力的同步传感。
在一些实施例中，所述弹性体的材质为硅胶、PDMF。
在一些实施例中，所述光栅为仿生人体皮肤褶皱的具有微裂纹结构的脆性金属薄膜。
在一些实施例中，所述光栅的材质为金、银或铜。
在一些实施例中，所述金属薄膜利用磁控溅射沉积形成，薄膜厚度为100nm～200nm。
在一些实施例中，所述光致发光颗粒为bis(4-phenothiazine phenyl)sulfone、四苯乙烯或四苯乙烯衍生物。
在一些实施例中，所述摩擦电光智能皮肤的厚度为2mm～3mm。
在一些实施例中，所述弹性体的表面具有微结构以增加其表面粗糙度
根据本公开的另一个方面，还提供了一种机械手，其包括所述的摩擦电光智能皮肤，用于传感横向拉伸应变与纵向拉力。
根据本公开的另一个方面，还提供了一种机器人，其包括一个或多个所述的机械手。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人能够通过改变发光的强度传感横向拉伸应力，具有较好的灵敏度、可逆性和稳定性。
(2)本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人可加入可拉伸电极作为中间层，由此可作为摩擦纳米发电机，通过外部物体接触起电产生的电信号来传感纵向压力。
(3)本公开耦合了可调光致发光和摩擦发电的多功能传感器件，实现了横向拉伸应变和纵向压力即多维度机械力的同步传感，在人机交互、软体机器人和人工智能领域具有重要的应用前景。
附图说明
通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤结构剖面示意图。
图2为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤用于传感拉伸应变的原理图。
图3为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤作为摩擦纳米发电机的电荷移动原理图。
图4为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤的光致发光强度与横向拉伸应变的关系曲线图。
图5为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤的开路电压与纵向压力的关系曲线图。
图6为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤在不同横向拉伸应变下的开路电压与纵向压力的关系曲线图。
<符号说明>
1-发光颗粒、2-弹性体、3-光栅、4可拉伸电极。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供了一种摩擦电光智能皮肤(也称多功能传感器)，包括：弹性体；光致发光颗粒，分散在所述弹性体中；以及光栅，具有微裂纹结构，其嵌入在所述弹性体中并覆盖所述光致发光颗粒；其中，在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。因此，可以利用光致发光的强度来传感横向拉伸应变。
所述光致发光颗粒为荧光颗粒和/或磷光颗粒，均匀分散在所述弹性体中，形成荧光弹性体和/或磷光弹性体；也即掺杂了光致发光颗粒的弹性体称之为荧光弹性体。在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化使所述荧光弹性体和/或磷光弹性体裸露的面积改变，从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。
所述的摩擦电光智能皮肤，还可进一步包括：可拉伸电极，作为中间层，嵌入在所述弹性体中，在纵向应力作用下，通过接触起电产生的电信号以传感纵向接触压力，从而实现横向拉伸应变和纵向压力即多维度机械力的同步传感。可拉伸电极的材料可以为透明电极材料，该可拉伸电极可以设置在弹性体中任何位置；可拉伸电极的材料也可以为非透明材料，需要将可拉伸电极设置在不妨碍光栅透过光致发光颗粒的光线的位置。
由此，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤还可作为摩擦纳米发电机，在不依赖任何外部电源的情况下，利用外部物体接触起电产生的电压信号来传感纵向压力，并且具有较高的灵敏度。此外，本公开公开的可拉伸摩擦电光智能皮肤对于横向拉伸应变和纵向压力的响应具有同时性和独立性，因此可用于多维度的机械力传感，将在人机交互、软体机器人和人工智能领域具有重要的应用前景。
具体的，所述弹性体的材质为硅胶、PDMS。所述光栅为仿生人体皮肤褶皱的具有微裂纹结构的脆性金属薄膜，并且紧密地附着在荧光弹性体的表面，可在一个较宽的拉伸应变范围内调控荧光弹性体的光致发光强度。
所述光栅的材质为金、银或铜。所述金属薄膜利用磁控溅射沉积形成，薄膜厚度为100nm～200nm。所述光致发光颗粒的材质为有机聚集诱导发光小分子，例如bis(4-phenothiazine phenyl)sulfone、四苯乙烯或四苯乙烯衍生物等。所述摩擦电光智能皮肤的厚度为2mm～3mm。
优选的，所述弹性体的表面具有微结构以增加表面粗糙度。
在本公开一具体实施例中，如图1所示，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤，包括：光致发光颗粒1、弹性体2、光栅3和可拉伸电极4。本实施例中，所述光致发光颗粒1为荧光颗粒，其均匀地分散在弹性体2中形成荧光弹性体。所述光栅3完全覆盖在光致发光颗粒1的上表面并且嵌入在弹性体2中，同时通过预拉伸(200％)使光栅3形成仿生皮肤褶皱的微裂纹结构。所述可拉伸电极4也嵌入在弹性体2中。器件的总厚度为2mm～3mm。在横向拉力(箭头所示的拉伸方向)的作用下，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤作为整体发生形变，包括弹性体2、可拉伸电极4，同时光栅3上的微裂纹宽度会相应的发生变化。
图2为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤用于传感横向拉伸应变的发光原理图。光致发光颗粒1掺杂的弹性体2可称之为荧光弹性体，本实例中，荧光颗粒为在固态下具有强烈荧光效应的有机聚集诱导发光小分子bis(4-phenothiazine phenyl)sulfone，从而使荧光弹性体在紫外环境下可以激发出强烈的可见光。荧光弹性体与光栅3组成了一个混合的双层材料体系，其中荧光弹性体具有可拉伸性，而光栅3则需要是一种紧密地附着在荧光弹性体表面的脆性材料。本实例中光栅3为磁控溅射沉积的铜膜，其厚度为100nm～200nm通过预拉伸至500％使铜膜上产生微裂纹。在紫外光环境下，由于铜膜良好的遮光性能，所以在初始状态下，本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤并不会发出可见光。在横向拉力的作用下，光栅3上微裂纹尺寸的改变会引起荧光弹性体裸露的面积发生变化，从而影响所述可拉伸摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。因此，光致发光强度作为响应拉伸应变的光信号，可以使本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤具有传感横向拉伸应变的能力。
图3为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤作为摩擦纳米发电机的电荷移动原理图。本实例中，弹性体2为硅胶Ecoflex-0020，并且在制备过程中以5000目的砂纸为模板使弹性体2的表面具有微结构来提高其表面粗糙度，从而增强弹性体2的摩擦起电特性。由于外部物体和弹性体2存在电负性差异，所以当两者反复接触分离后会在其表面分别产生相反的束缚电荷。请结合图3中的(a)-(d)所示，在纵向压力的作用下，外部物体靠近弹性体2的表面，由于静电平衡的作用促使自由电子从可拉伸电极4流向大地(如图3中(b)所示)，同时产生电流直到外部物体与弹性体2完全接触(如图3中(c)所示)，然后当外部物体开始离开弹性体2时，自由电子从大地重新流回可拉伸电极4，同时产生反向电流(如图3中(d)所示)，当外部物体与弹性体2之间的距离重新达到最大时，形成了一个完整的发电周期。
图4为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤的光致发光强度与横向拉伸应变的关系曲线图。如图4所示：在0％-160％的拉伸应变范围内，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤的光致发光强度从4000counts增加至12000counts。当横向拉伸应变超过160％后，光致发光强度不再增加。因此，在0％-160％的拉伸应变范围内，本公开公开的可拉伸摩擦电光智能皮肤可以用于横向拉伸应变传感。
图5为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤的开路电压与纵向压力的关系曲线图。随着纵向压力的增加，外部物体与弹性体2的实际接触面积增加，导致产生更多的摩擦电荷，从而提高了摩擦纳米发电机的输出。如图5所示：纵向压力由0.03kPa增加至26.28kPa，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤的开路电压由5.48V增加至17.42V。同时，纵向压力传感的灵敏度(图中斜率)可以分为3个阶段：小于0.17kPa，灵敏度为34mV/Pa；0.17-1.7kPa，灵敏度为2.6mV/Pa；大于1.7kPa，灵敏度为0.13mV/Pa。
图6为依据本公开实施例可拉伸摩擦电光智能皮肤在不同横向拉伸应变下的开路电压与纵向压力的关系曲线图。如图6所示：在横向拉伸应变分别为0％、50％、100％、160％时，所述可拉伸摩擦电光智能皮肤的开路电压随纵向压力的变化曲线几乎没有改变。由此表明本公开可拉伸摩擦电光智能皮肤可以同时传感横向拉伸应变和纵向压力，并且具有独立性。
另外，本公开还提供了一种机械手，其包括所述的摩擦电光智能皮肤，用于传感横向拉伸应变与纵向拉力。
本公开还提供了一种机器人，其包括一个或多个所述的机械手。
综上所述，本公开公开了一种可拉伸摩擦电光智能皮肤，可以通过应变调控的光致发光强度来传感横向拉伸应变，同时可以作为摩擦纳米发电机利用电信号传感纵向压力，从而实现了多维度机械力的同时传感。本公开耦合了可调光致发光和摩擦发电的多功能传感器件在人机交互、软体机器人和人工智能领域具有重要的应用前景。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开摩擦电光智能皮肤、机械手及机器人有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种摩擦电光智能皮肤，包括：
弹性体；
光致发光颗粒，分散在所述弹性体中；以及
光栅，具有微裂纹结构，其嵌入在所述弹性体中并覆盖所述光致发光颗粒；其中，
在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。
2.根据权利要求1所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述光致发光颗粒为荧光颗粒和/或磷光颗粒，均匀分散在所述弹性体中，形成荧光弹性体和/或磷光弹性体；在横向拉力的作用下，所述光栅的微裂纹宽度变化使所述荧光弹性体和/或磷光弹性体裸露的面积改变，从而改变所述摩擦电光智能皮肤的光致发光强度。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦电光智能皮肤，还包括：
可拉伸电极，嵌入在所述弹性体中，在纵向应力作用下，通过接触起电产生的电信号以传感纵向接触压力。
4.根据权利要求1-3任一项中所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述弹性体的材质为硅胶、PDMS。
5.根据权利要求1-4任一项中所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述光栅为仿生人体皮肤褶皱的具有微裂纹结构的脆性金属薄膜。
6.根据权利要求5所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述光栅的材质为金、银或铜。
7.根据权利要求5所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述金属薄膜利用磁控溅射沉积形成，薄膜厚度为100nm～200nm。
8.根据权利要求1-7任一项中所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述光致发光颗粒为bis(4-phenothiazine phenyl)sulfone、四苯乙烯或四苯乙烯衍生物。
9.根据权利要求1-8任一项中所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述摩擦电光智能皮肤的厚度为2mm～3mm。
10.根据权利要求1所述的摩擦电光智能皮肤，其中，所述弹性体的表面具有微结构以增加其表面粗糙度。
11.一种机械手，其包括如权利要求1至10中任一项所述的摩擦电光智能皮肤，用于传感横向拉伸应变与纵向拉力。
12.一种机器人，其包括一个或多个如权利要求11所述的机械手。
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