近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所傳感中心孫洪巖副研究員團(tuán)隊(duì)在中科院一區(qū)（IF：17.6）期刊《Nano Energy》上發(fā)表了題為A self-powered flexible tactile sensor utilizing chemical battery reactions to detect static and dynamic stimuli的研究。該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于化學(xué)電池反應(yīng)的自供電柔性觸覺傳感器，用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)機(jī)械刺激檢測。本文李森博士為第一作者，孫洪巖副研究員為唯一通訊作者，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一單位。

柔性和可穿戴的觸覺傳感器在健康監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的重要性日益凸顯。傳統(tǒng)的電阻式或電容式傳感器雖然廣泛應(yīng)用，但其仍需外部電源持續(xù)供能，而壓電式和摩擦電式傳感器則僅對動(dòng)態(tài)機(jī)械刺激做出響應(yīng)。為了克服這些限制，研究人員一直在探索開發(fā)無需外部電源、能夠同時(shí)監(jiān)測動(dòng)態(tài)和靜態(tài)機(jī)械刺激的觸覺傳感器。

為了解決上述問題，本團(tuán)隊(duì)通過簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將紙質(zhì)基底的固態(tài)Zn-MnO2電池轉(zhuǎn)變?yōu)樽怨╇妷毫鞲衅?。作為電池，其展現(xiàn)出了1.29 V的開路電壓、2.8 mA/cm2的最高短路電流密度，足以為小型電子器件供電。作為自供電壓力傳感器，其具有較高的靈敏度，在0-25 kPa范圍內(nèi)平均為1.27 μA/kPa，在25-500 kPa范圍內(nèi)平均為0.14 μA/kPa，響應(yīng)時(shí)間為42 ms，恢復(fù)時(shí)間為41 ms，最小壓力分辨率達(dá)到數(shù)十帕斯卡，且具有長期重復(fù)性和穩(wěn)定性。該工作將極大地促進(jìn)智能，自供電觸覺傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，廣泛應(yīng)用于人類健康護(hù)理和檢測靜態(tài)/動(dòng)態(tài)刺激的人機(jī)界面等領(lǐng)域。

該研究的亮點(diǎn)：傳感器的制備過程簡單、環(huán)保，利用了紙張作為柔性的基底材料，不僅成本低廉，而且具有可降解性。這種紙基電池不僅能夠?yàn)樾⌒碗娮釉O(shè)備提供動(dòng)力，還能夠在各種形狀和尺寸下實(shí)現(xiàn)高度敏感的動(dòng)態(tài)/靜態(tài)壓力檢測。該傳感器有望在極端環(huán)境下智能機(jī)器人搜救、健康監(jiān)測、物體識別等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為自供電柔性電子設(shè)備的研究開辟新的道路。

本工作得到了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（面上項(xiàng)目）區(qū)域聯(lián)合基金（青年項(xiàng)目）、國自然青年基金、光明實(shí)驗(yàn)室開放課題基金等項(xiàng)目的支持。

圖文導(dǎo)讀

圖1. a) 器件設(shè)計(jì)和制備流程圖；b) 電池的橫截面SEM圖像；c) 壓力傳感器的橫截面SEM圖像；d) 器件的光學(xué)照片及各層材料表面形貌的SEM圖像；e) 基于紙質(zhì)器件的多種形狀照片。f) 自供電壓力傳感器的工作原理示意圖；g) 基于壓力的電流變化曲線示意圖。

圖2. 偏中性柔性電池在不同質(zhì)量比a) NH4Cl和b) (CH3COO)2Zn下的開路電壓和短路電流密度；c) 恒流放電曲線；d) 單節(jié)、兩串聯(lián)和三串聯(lián)電池的開路電壓曲線；e) 柔性電池在不同機(jī)械變形下的開路電壓曲線；f) 電池在0.2 mA/cm2恒流充放電循環(huán)曲線；g) 電池在不同狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電子表。

圖3. a) 自供電壓力傳感器電流-壓力曲線；b) 不同靜態(tài)壓力刺激下的電流變化；c) 自供電壓力傳感器在0.5 Hz到8 Hz不同動(dòng)態(tài)刺激下的電流變化；d) 響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間；e) 檢測限；f) 重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖4. a) 在惡劣環(huán)境中機(jī)器人監(jiān)測人類生命體征的示意圖；b) 脈搏監(jiān)測；c) 鼠標(biāo)在單擊和雙擊動(dòng)作下對應(yīng)的電流信號；d) 壓力傳感器對早期帕金森病模擬敲門的實(shí)時(shí)感測信號；e) 集成到鞋墊中的壓力傳感器用于監(jiān)測步態(tài)運(yùn)動(dòng)；f) 自供電柔性視覺-觸覺設(shè)備。

圖5 a) 自供電壓力傳感器矩陣的分解視圖；b) 自供電壓力傳感器矩陣照片；c) 傳感矩陣的讀出電路；d) 用于識別字母"S"、"I"、"A"和"T"的壓力傳感矩陣；e) 用于在握瓶時(shí)操作過程中監(jiān)測壓力分布的傳感矩陣。