基于石墨烯的觸覺傳感器研究進展綜述

石墨烯作為一種極具潛力的納米材料，獨特的機電特性使其在多種工業應用中展現出廣闊的應用前景。常見的石墨烯形態包括石墨烯粉末、氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO），這些材料常被用于開發各種基于純材料或納米復合材料的柔性觸覺傳感器。得益于石墨烯與聚合物基質及其它金屬納米材料優異的界面結合能力，石墨烯基觸覺傳感器能夠在多種操作環境下展現出優異性能。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自浙江海洋大學、澳大利亞昆士蘭大學（The University of Queensland）、德國開姆尼茨工業大學（Chemnitz University of Technology）等機構的研究團隊在Sensors And Actuators A-physical期刊上發表了一篇題為“A review on graphene-based sensors for tactile applications”的綜述文章，重點探討了基于石墨烯的柔性觸覺傳感器的開發及其在機器人觸覺等領域的應用，并對當前面臨的挑戰和未來發展進行了展望。

圖1 本研究的圖文摘要

基于石墨烯的觸覺傳感器

這篇綜述文章介紹了基于純石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯三種形態制備觸覺傳感器的技術路線，通過各種印刷技術，將不同形態的石墨烯與聚合物基底結合，形成單層及多層結構的傳感器薄膜。這些傳感器在機器人觸覺等領域得到了廣泛應用。

圖2 （a）在二氧化硅（SiO?）基底上利用石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備的薄膜傳感器；（b）透明石墨烯基傳感器的圖像；（c）石墨烯薄膜的透射率和拉曼光譜

圖3 （a）使用基于還原氧化石墨烯的導電油墨制備柔性傳感器的示意圖；（b）傳感器的粘度、損耗模量和存儲模量隨剪切速率、剪切應力和時間的變化特征；（c）傳感器尺寸圖示

圖4 （a）柔性石墨烯/聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）傳感器的制備步驟；（b）通過晶圓級制造工藝制備的傳感器放大圖；（c）傳感器拉伸前后的狀態變化；（d）傳感器對施加應變的響應

圖5 （a）基于石墨烯的摩擦納米發電機（TENG）器件的光學圖像；（b）拉伸前后的傳感器圖像：（c）利用有限元分析得出的應變分布；（d）與-x和-y方向拉伸有關的電阻相對變化；（e）開路電壓隨-x和-y方向拉伸的相對變化

圖6 （a）開發氧化石墨烯薄膜的制備方案；（b）傳感器對濕度和彎曲曲率的響應

圖7 （a）基于氧化石墨烯的電容式壓力傳感器制備步驟；（b）傳感器電容響應隨壓力變化

圖8 （a）基于氧化石墨烯/PET的傳感器制備步驟；（b）傳感器的靈活性展示；（c）用于溫度傳感的傳感器尺寸；（d）施加壓力前后傳感器的原理圖和掃描電鏡圖像

通過對比基于不同石墨烯形態的觸覺傳感器的制備和性能，可以發現不同加工材料之間存在明顯差異。對于采用純石墨烯開發的觸覺傳感器來說，其最大優勢之一是靈敏度極高，這主要得益于石墨烯卓越的電導率和抗拉強度。石墨烯作為一種活性材料，可形成用于觸覺傳感應用的物理傳感器，其性能優于傳統的應變傳感方法。對于基于石墨烯衍生物的觸覺傳感器來說，它們還具有其它優勢，例如快速制備、操作簡單、分辨率高、成本低和性能高效。這些傳感器用于機器人觸覺傳感應用時具有顯著優勢，例如能夠有效提升外科手術等領域的操作精準度。

基于石墨烯的觸覺傳感器應用研究

石墨烯基觸覺傳感器的主要優勢在于其高導電性、出色的機械柔韌性、響應的高重復性和再現性、生物兼容性以及較低的響應和恢復時間。這些傳感器在健康監測和工業領域也有各種成功應用。例如，將石墨烯基觸覺傳感器連接在機器人或人體關節上，能夠實現動作細節的精準捕捉。

圖9 （a）石墨烯基傳感器的原理圖；傳感器響應描述了其（b）壓阻特性和（c）快速響應時間

圖10 新加坡國立大學研究人員設計的新型機器人系統，其壓阻薄膜由石墨烯層組成

研究展望

在未來的研究發展中，還需要進一步優化石墨烯材料質量，從而有效提升石墨烯基觸覺傳感器的性能。由于石墨烯同素異形體的物理差異會導致其與聚合物基體結合程度的差異，進而造成傳感器響應差異，因此需要不斷創新石墨烯合成方法。從機器人觸覺應用角度來看，將這些石墨烯基傳感器用作電子皮膚將進一步提高機器人對多種刺激模式同時響應的能力。這些傳感器原型有望在實時通信中以無線方式使用，例如將它們連接到假肢身體部位或失去皮膚的人體部位。隨著機器人在人類生活中的影響越來越大，有效利用石墨烯基傳感器與合適的執行器連接，將極大地推動智能傳感系統的發展。

論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115363

審核編輯：劉清