《Applied Materials Today》：A linear-response and stretchable capacitive electronic skin integrated with machine learning for wireless health monitoring and smart robotic grasping
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电子皮肤研究
摘要：基于高拉伸碳纳米管电极和微孔TPU绝缘层，研制出兼具拉伸和压力传感能力的S/P-S电子皮肤，应变范围0-80%，压力范围0-51.6kPa，线性响应与高灵敏度（GF值0.63和1.3×10?2 kPa?1）。应用于无线数据手套和智能鞋垫，结合机器学习算法实现98.6%和98.4%的手势及足部姿态识别准确率，并开发出具备98.5%握力识别精度的智能机械手系统。
胡云凯|于奇军|徐浩|顾浩然|张硕|史珂|钱俊|李军|袁广杰
上海大学机械工程与自动化学院智能制造与机器人技术实验室，中国上海200444
摘要
随着可穿戴设备和嵌入式智能技术的快速发展，电子皮肤（E-skin）在无线健康监测和智能机器人抓取领域的应用需求日益增加。基于高延展性的碳纳米管（CNT）电极和微孔热塑性聚氨酯弹性体（TPU）介电层，制备了一种具有拉伸/压力敏感性的（S/P-S）电子皮肤，其在0–80%的应变范围内线性响应，压敏系数（GF）值为0.63；在0–51.6 kPa的压力范围内，压敏系数为1.3 × 10?2 kPa?1。由于其优异的性能，该电子皮肤被集成到无线数据手套和智能鞋垫中，用于检测手指关节弯曲信号和脚部压力分布，并开发了结合机器学习的双手势态和脚部姿态分析系统，识别准确率分别达到98.6%和98.4%。此外，通过将视觉识别模块与3 × 3像素的压力敏感（PP-S）电子皮肤结合，智能机器人夹持器能够成功检测抓取力及其分布；同时开发的抓取与转移稳定性分析系统识别准确率也达到了98.5%。
引言
近年来，随着可穿戴设备和智能机器人市场规模的不断扩大，电子皮肤（E-skin）受到了越来越多的关注，因为它们能够将不同的物理信号转换为电信号，从而实现对拉伸、压力、温度和湿度等刺激的精确感知[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。作为下一代可穿戴设备，电子皮肤可以实时监测人体的生理和运动信号，如关节运动、心率和呼吸频率[7]。此外，电子皮肤还能赋予智能机器人准确感知抓取力及其分布的能力，使其能够无损地抓取各种物体[8]。
根据不同的传感机制，电子皮肤可分为三种主要类型：压阻式[[9], [10], [11]], 压电式[[13], [14], [15], [16]]和电容式[[17], [18], [19], [20], [21]]。与压阻式和压电式电子皮肤相比，电容式电子皮肤在实际应用中具有多个优势，例如线性应变响应、低滞后、较大的检测范围以及能够检测静态和动态信号[22]。因此，近年来许多研究人员专注于研究电容式拉伸敏感（S-S）电子皮肤[[23], [24], [25], [26]]。2018年，Nur等人报道了一种采用皱褶金电极和VHB介电层的电容式S-S电子皮肤，其最大应变达到140%，压敏系数（GF）值为3.05[18]。2019年，Yao等人报道了另一种采用银纳米线（AgNWs）/热塑性聚氨酯弹性体（TPU）电极和Ecoflex介电层的电容式S-S电子皮肤，最大应变为50%，GF值为0.96[27]。2022年，Hu等人提出了一种新的电容式S-S电子皮肤，采用皱褶碳纳米管（CNT）电极和VHB介电层，最大应变达到300%，GF值为2.07[28]。然而，这些电子皮肤仅能感知单一的拉伸信号，这限制了它们的实际应用，尤其是在需要压力检测的领域。为解决这一问题，开发兼具压力和拉伸感知功能的电子皮肤成为最佳选择。因此，电容式拉伸/压力敏感（S/P-S）电子皮肤近年来受到了越来越多的关注。2011年，Lipomi等人报道了一种采用CNT电极和PDMS介电层的电容式S/P-S电子皮肤，在0–50%的应变范围内压敏系数为0.41，在0–1000 kPa的压力范围内压敏系数为2.3 × 10?4 kPa?1[29]。2014年，Yao等人报道了另一种采用AgNW电极和Ecoflex介电层的电容式S/P-S电子皮肤，在0–50%的应变范围内压敏系数为0.7，在0–400 kPa的压力范围内压敏系数为1.62 × 10?3 kPa?1[30]。尽管这些电子皮肤能够感知压力和拉伸信号，但其压力敏感度仍然较低。为了提高电容式S/P-S电子皮肤的压力敏感度，研究人员通过静电纺丝方法在介电层中引入了微米或纳米结构。2022年，Du等人报道了一种采用微孔TPU/MXene/AgNW电极和TPU介电层的电容式S/P-S电子皮肤，其在0–10 kPa和10–70 kPa的压力范围内的压敏系数分别为2.9 × 10?2和1.5 × 10?2 kPa?1
为了解决这些问题，基于高延展性CNT电极和微孔TPU介电层，成功制备了一种低成本、可靠、线性响应且相对高灵敏度的电容式S/P-S电子皮肤。此外，系统研究了该电子皮肤的传感性能和机制，并将其集成到可穿戴设备和智能机器人中，结合机器学习算法，实现了无线人体健康监测和机器人的无损抓取功能。
材料与化学品
TPU颗粒（1185A）购自BASF有限公司，DMF购自Aladdin公司。CNT水分散液（TNM8，10 wt%）购自成都有机化学有限公司。Ecoflex（00–10）和纳米银浆（4929 N）分别购自Smooth-On公司和杜邦化学公司。
电子皮肤及其阵列的制备
电容式S/P-S电子皮肤的制备过程如图1(a)所示。首先，将5克TPU颗粒加入20毫升N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，并进行磁力处理
电子皮肤的形态
如图1(a)所示，该电容式S/P-S电子皮肤由两层封装的Ecoflex层之间的CNT/TPU/CNT夹层薄膜构成。成功制备了微孔TPU薄膜，TPU微纤维的直径为8.6 μm。图S2显示，TPU薄膜的孔隙面积比和密度分别为27.8%和0.37 g/cm3。这种微孔结构提高了电子皮肤的压力敏感度。图S3进一步展示了CNT的分布情况
结论
在本研究中，我们基于高延展性CNT电极和微孔TPU介电层，开发了一种低成本、可靠、线性响应且相对高灵敏度的电容式S/P-S电子皮肤。该电子皮肤在0–51.6 kPa的压力范围内的压敏系数为1.3 × 10?2 kPa?1
CRediT作者贡献声明
胡云凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，方法学研究。于奇军：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。徐浩：验证，实验研究。顾浩然：软件开发。张硕：软件开发。史珂：数据可视化。钱俊：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。李军：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。袁广杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金筹集，概念构思。
