.708 工程科学学报，第42卷，第6期 法制备了蛇形网状结构的电容性表皮电极，并与 压力位置下波导光的耦合来实现的.该器件具有 商用湿银/氯化银电极以及直接接触EES电极进 很高的灵敏度，其压力灵敏度高达0.2kPa,即低 行了比较，结果表明该表皮电极采集到的心电图 至2.94×104N的压力施加与移除也能可靠的被检 (ECG)、眼电图(EOG)和肌电图(EMG)信号与其 测出来 他电极采集得到的信号大致相近，且具有良好的 2新型电子皮肤性能的研究进展 电生理信号检测鲁棒性 1.3.3压电效应 2.1可拉伸/压缩性 压电效应是材料在受到外力作用时产生电压 以往电子皮肤可拉伸性能的实现主要通过应 的能力，即压电品体在受到外力作用而发生形变 变工程技术来制备可拉伸导体，即将不可拉伸的 (包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化 无机材料，如金属，设计成波浪状附在弹性衬底之 现象，会在其表面与底面聚集符号相反的电荷，当 上，当衬底被拉伸时，金属可以实现扩展0此 撤去外力之后又恢复至不带电的状态.而压电传 外，在预应变衬底上沉积一层薄的导电材料，如金 感器则是利用压电晶体受力后产生的压电效应制 属、碳纳米管或石墨烯等，在释放应变时，会形成 成的传感器，具有灵敏度高、响应速度快等优点， 周期性的扣环，从而使材料能够适应进一步的拉 常被用于测量与滑移相关的振动.压电传感器的 伸周期直至初始预应变值，也能使电子皮肤具有 瞬态感知能力与人类皮肤中的维甲酸(RA)受体 拉伸性能②.通过这些方法可以将几乎所有刚性 相近，但由于压电传感器存在响应随时间漂移 材料转化为可拉伸材料，同时还能保持它们的电 而不稳定的现象，其静态传感特性略显不足， 性能.但是实现不可拉伸材料的可拉伸性的制造 Sun等7对压电聚合物展开了研究，作者报道了 方法通常是复杂的，而且应变工程技术实现的拉 一种基于石墨烯品体管(GT)的压电应变传感器阵 伸性已经很难到达电子皮肤高拉伸性与低成本要 列.该传感器阵列由压电势控制的共面栅极石墨 求5]目前常采用的方法是在绝缘弹性体基体中 烯晶体管(GT)和压电纳米发电机(NG)组成.实验 嵌入导电填料以形成纳米复合材料，从而实现可 结果显示该器件的电子迁移率为178cm2.V1S-, 拉伸导体的制备，常用的导电填料有碳纳米管、银 空穴迁移率分为498cm2.VS,同时该传感器表 纳米线以及金属纳米颗粒54列，不过目前这种方 现出测量因子389的高灵敏度、大于3000次弯曲 法在器件小型化以及循环稳定性等方面仍存在 回复循环的耐久性以及0.008%的最小检测应变 不足 等优异的性能特性 导电聚合物是一种具有易于溶解、可加工、可 1.3.4光学效应 模压、具有延展性与导电性的材料，可用于制备具 光学效应是利用光学原理，将触觉输入信号 有良好拉伸性能的电子皮肤，只是该材料在同时 转换为电信号输出的过程.光学压力传感器由光 实现高导电率与高拉伸性方面还略有不足，针对 源、传输介质和检测器等组成.光强和波长是施 这一现象Wang等[5a对聚合物中经溶液处理后具 加压力的主要信号，在光学压力传感器中，光通常 有最高电导率的聚(3,4-乙二氧噻吩)：聚苯乙烯磺 被引导到光纤或光波导中，施加的压力会引起布 酸盐(PEDOT:PSS)展开了研究，分析得出聚合物 拉格光栅的调制从而改变光的强度或波长8-4 链折叠的高度无序有利于在拉伸时为聚合物链的 此类传感器可以实现非接触和非破坏性测量，同 运动和展开创造更大的自由体积，同时高拉伸性 时具有抗干扰能力强、响应性好、传输速度快等 要求PEDOT:PSS同时具有软的PSS部分以及聚 优点.目前光学压力传感器常用于基于触摸屏的 集在一起的PEDOT硬导电网络.作者采用添加离 设备，如智能手机或平板电脑.Ramuz等9研究了 子添加剂辅助拉伸性和电导率增强剂来制备 一种基于PDMS的新型光学压力传感器，该PDMS PEDOT:PSS薄膜，以实现高拉伸性与高导电性的 的厚度为600um,具有柔韧性、可拉伸性、高透明的 共存.研究发现以PEDOT:PSS为基体，拉伸性和 特性，在器件中用作基底与波导管.PDMS波导/基 导电率增强剂满足具有良好水溶性和可作为 底的一端由聚合物有机发光二极管(OLED)集成 PEDOT有效掺杂剂的高酸性阴离子这两个特性 用作光源，另一端与聚合物有机光电二极管(OPD) 时，可以实现电导率与拉伸性的协同效应，此外根 集成用作光电探测器.该光学压力传感器的传感 据应用选择合适的阴离子还可以进一步提高导电 原理是施加外部压力时PDMS波导层的压缩以及 率.实验结果显示，通过这一方法制备的聚合物薄法制备了蛇形网状结构的电容性表皮电极，并与 商用湿银/氯化银电极以及直接接触 EES 电极进 行了比较，结果表明该表皮电极采集到的心电图 （ECG）、眼电图（EOG）和肌电图（EMG）信号与其 他电极采集得到的信号大致相近，且具有良好的 电生理信号检测鲁棒性. 1.3.3 压电效应 压电效应是材料在受到外力作用时产生电压 的能力，即压电晶体在受到外力作用而发生形变 （包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化 现象，会在其表面与底面聚集符号相反的电荷，当 撤去外力之后又恢复至不带电的状态. 而压电传 感器则是利用压电晶体受力后产生的压电效应制 成的传感器，具有灵敏度高、响应速度快等优点， 常被用于测量与滑移相关的振动. 压电传感器的 瞬态感知能力与人类皮肤中的维甲酸 (RA) 受体 相近，但由于压电传感器存在响应随时间漂移 而不稳定的现象，其静态传感特性略显不足[7,46] . Sun 等[47] 对压电聚合物展开了研究，作者报道了 一种基于石墨烯晶体管（GT）的压电应变传感器阵 列. 该传感器阵列由压电势控制的共面栅极石墨 烯晶体管（GT）和压电纳米发电机（NG）组成. 实验 结果显示该器件的电子迁移率为 178 cm2 ·V–1·S–1 ， 空穴迁移率分为 498 cm2 ·V−1·S−1，同时该传感器表 现出测量因子 389 的高灵敏度、大于 3000 次弯曲 回复循环的耐久性以及 0.008% 的最小检测应变 等优异的性能特性. 1.3.4 光学效应 光学效应是利用光学原理，将触觉输入信号 转换为电信号输出的过程. 光学压力传感器由光 源、传输介质和检测器等组成. 光强和波长是施 加压力的主要信号，在光学压力传感器中，光通常 被引导到光纤或光波导中，施加的压力会引起布 拉格光栅的调制从而改变光的强度或波长[48– 49] . 此类传感器可以实现非接触和非破坏性测量，同 时具有抗干扰能力强、响应性好、传输速度快等 优点. 目前光学压力传感器常用于基于触摸屏的 设备，如智能手机或平板电脑. Ramuz 等[49] 研究了 一种基于 PDMS 的新型光学压力传感器，该 PDMS 的厚度为 600 μm，具有柔韧性、可拉伸性、高透明的 特性，在器件中用作基底与波导管. PDMS 波导/基 底的一端由聚合物有机发光二极管（OLED）集成 用作光源，另一端与聚合物有机光电二极管（OPD） 集成用作光电探测器. 该光学压力传感器的传感 原理是施加外部压力时 PDMS 波导层的压缩以及 压力位置下波导光的耦合来实现的. 该器件具有 很高的灵敏度，其压力灵敏度高达 0.2 kPa–1，即低 至 2.94×10−4 N 的压力施加与移除也能可靠的被检 测出来. 2    新型电子皮肤性能的研究进展 2.1    可拉伸/压缩性 以往电子皮肤可拉伸性能的实现主要通过应 变工程技术来制备可拉伸导体，即将不可拉伸的 无机材料，如金属，设计成波浪状附在弹性衬底之 上，当衬底被拉伸时，金属可以实现扩展[50–52] . 此 外，在预应变衬底上沉积一层薄的导电材料，如金 属、碳纳米管或石墨烯等，在释放应变时，会形成 周期性的扣环，从而使材料能够适应进一步的拉 伸周期直至初始预应变值，也能使电子皮肤具有 拉伸性能[12] . 通过这些方法可以将几乎所有刚性 材料转化为可拉伸材料，同时还能保持它们的电 性能. 但是实现不可拉伸材料的可拉伸性的制造 方法通常是复杂的，而且应变工程技术实现的拉 伸性已经很难到达电子皮肤高拉伸性与低成本要 求[53] . 目前常采用的方法是在绝缘弹性体基体中 嵌入导电填料以形成纳米复合材料，从而实现可 拉伸导体的制备，常用的导电填料有碳纳米管、银 纳米线以及金属纳米颗粒[54– 55] ，不过目前这种方 法在器件小型化以及循环稳定性等方面仍存在 不足. 导电聚合物是一种具有易于溶解、可加工、可 模压、具有延展性与导电性的材料，可用于制备具 有良好拉伸性能的电子皮肤，只是该材料在同时 实现高导电率与高拉伸性方面还略有不足. 针对 这一现象 Wang 等[56] 对聚合物中经溶液处理后具 有最高电导率的聚（3,4-乙二氧噻吩）:聚苯乙烯磺 酸盐（PEDOT:PSS）展开了研究，分析得出聚合物 链折叠的高度无序有利于在拉伸时为聚合物链的 运动和展开创造更大的自由体积，同时高拉伸性 要求 PEDOT:PSS 同时具有软的 PSS 部分以及聚 集在一起的 PEDOT 硬导电网络. 作者采用添加离 子添加剂辅助拉伸性和电导率增强剂来制 备 PEDOT:PSS 薄膜，以实现高拉伸性与高导电性的 共存. 研究发现以 PEDOT:PSS 为基体，拉伸性和 导电率增强剂满足具有良好水溶性和可作 为 PEDOT 有效掺杂剂的高酸性阴离子这两个特性 时，可以实现电导率与拉伸性的协同效应，此外根 据应用选择合适的阴离子还可以进一步提高导电 率. 实验结果显示，通过这一方法制备的聚合物薄 · 708 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期