快速發(fā)展的機器人、人機界面設備和可穿戴電子設備需要結構緊湊且用戶友好設計的機械柔性、高靈敏度壓力傳感器。離電式壓力傳感器具有高靈敏度、快速響應等特點，有望作為觸覺反饋接口，在虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實領域發(fā)揮關鍵作用。

近日，中東技術大學（Middle East Technical University，METU）的研究人員開發(fā)出一種纖維素基超分子生物聚合物凝膠（SBPG），具有高離子電導率和優(yōu)異的剛度，這些特性被轉(zhuǎn)化為具有1475000 kPa?1超高靈敏度的離電式壓力傳感器。研究人員利用八個基于超分子生物聚合物凝膠的離電式壓力傳感器制備了智能手套原型，基于觸覺反饋算法，該智能手套在物體識別方面可實現(xiàn)90%的分類精度，驗證了該技術的應用潛力。相關研究成果已發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。

在這項工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)異電化學性能和高剛度的介電層是實現(xiàn)離電式壓力傳感器高性能的關鍵條件。通過廣泛的化學和電化學表征，研究人員優(yōu)化設計了離電式壓力傳感器的介電層。介電層由基于羥乙基纖維素（HEC）、甘油和氯化鈉（NaCl）的超分子生物聚合物凝膠構成，HEC和甘油分子的自組裝經(jīng)過優(yōu)化，可獲得最高可能性的離子電導率（9.85 × 10?? S/cm）和具有足夠剛度的面電容。傳感器介電層的這一根本性突破，使得制備業(yè)界領先的超靈敏離電式壓力傳感器成為可能。

超分子生物聚合物凝膠的表征

這項研究工作制備的離電式壓力傳感器具有前所未有的靈敏度（1475000 kPa?1）和穩(wěn)定性，傳感器峰值工作功率為4 μW。在16 kPa壓力下，傳感器的響應和恢復時間分別為63 ms和35 ms。在1 ~ 30 kPa的各種循環(huán)載荷下，傳感器展示出良好的可重復電容響應特性。該傳感器可以成功解析1 ~ 2 Pa的微小壓力以及50 ~ 100 Pa的中等壓力。通過壓縮循環(huán)測試和彎曲循環(huán)測試，驗證了該傳感器的機械穩(wěn)定性和信號穩(wěn)定性。此外，在不同的相對濕度條件下，該傳感器表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的壓力響應。

離電式壓力傳感器的表征

基于該離電式壓力傳感器，研究人員制備了智能手套原型，展示了這種傳感器的超高靈敏性能。該智能手套基于八個傳感器單元制造，傳感器連接使用導電纖維，傳感器被放置在指尖和手掌的三個關鍵點上，可以檢測被握物體對這些特定區(qū)域所施加的壓力。結果表明，這種智能手套依靠壓力傳感器獲得的觸覺反饋，可以高精度地區(qū)分形狀相似但大小和重量不同的物體。由于這種離電式壓力傳感器前所未有的靈敏度，該智能手套僅使用八個傳感器單元即可實現(xiàn)90%的分類精度。

基于超分子生物聚合物凝膠的離電式壓力傳感器用于智能手套

總而言之，在這項工作中，研究人員通過廣泛的化學和電化學表征，優(yōu)化設計了離電式壓力傳感器的超分子生物聚合物凝膠介電層。這種設計策略還可以擴展到其它電化學器件，例如電池和超級電容器等，以實現(xiàn)前所未有的器件性能。基于這種優(yōu)化設計的超分子生物聚合物凝膠介電層，研究人員制備了超高靈敏度（1475000 kPa?1）的離電式壓力傳感器，將該傳感器集成在智能手套中，可用于通過觸覺反饋識別物體。實驗證明，該智能手套僅使用八個傳感器即可實現(xiàn)高準確率、精確率和召回率，凸顯了這種方法在人機交互和機器人環(huán)境中開發(fā)觸覺傳感應用的潛力。