透明柔性电子皮肤可由PV电池供电

英国苏格兰格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究人员设计出一种基于石墨烯的透明柔性电容式触控传感器，不仅提供触控检测，还搭载了压力感测功能。由于它是透明的，所以触觉感应层可堆叠在刚性或柔性的太阳光电（PV）电池上，从而在操作时自动供电。

研究人员在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊发表「自供电、柔性且透明的触觉皮肤」（Energy-Autonomous, Flexible, and Transparent Tactile Skin）一文，揭示一种看似简单但工艺高度可扩展的新途径，可望实现创新的电容式压力传感器。研究人员有信心可进一步扩展，为机器人与义肢等应用提供全面的触觉反馈。

实际的电容式触控传感器是由PVC基板上（125μm厚）的单层石墨烯共面交叉电容（IDC）电极组成，并连接至沉积在电极边缘的钛/金（Ti/Au；10nm/100nm）触点。在蚀刻出铜箔之前，先透过热层压过程（以及最初在石墨烯生长的铜箔）将单层石墨烯移植到PVC基板上。接着，金属触点沉积在石墨烯层的边缘（使用电子束蒸发和遮罩），最后再用电脑控制的绘图仪刀锋将石墨烯图案化至交叉电极。

柔性且透明的石墨烯触控传感器，厚度仅125μm

传感器由自旋涂层于石墨烯通道顶部的25μm厚聚合物层（PDMS）完成。最终层不仅用于作为可变形介电层，还可封装该元件。研究人员尝试各种不同的电极图案，最终取得方形曲线，使其具有最大化的电容响应以及各种压力。

为了表征这种新型的电容式传感器，研究人员发现它在各种压力下都具有稳定的反应；相形之下，传统的共面或分层结构只能感测触控存在或不存在，而无法感测压力。他们还发现压力灵敏度主要可归因于PDMS介电质常数在压缩（由于聚合物的多孔结构）时的变化。

有趣的是，在0至60kPa的压力范围内，经测试的传感器灵敏度呈现些微变化，但保持在相同的数量级：0～20kPa为9.3×10^(-3)kPa^(-3)；20～60kPa之间为4.3×10^(-3)kPa^(-1)，压力超过60kPa时的灵敏度为7.7x10^(-3)kPa^(-1)。

为了证明传感器在实际电子皮肤（e-skin）应用中的可用性，研究团队将其整合在先进仿生手的中间和近侧指骨处，并通过简单的读取接口电路设计并建置在柔性聚酰亚胺PCB，从而将石墨烯传感器的电容变化转换成电压。他们能够展示即时压力映射，如仿生手臂抓住一个软球，并用读取电路实现即时触觉反馈回路，控制手的捉取程度。

具有触觉反馈能力的彷生手捉取一个软球（左）。而在图右，围绕在中间和近侧指骨的电容式传感器的颜色图表示读取电压调变。插图是用于控制抓取力（相对于传感器读数）的逻辑图

为了实现自供电的解决方案，研究人员将透明传感器堆叠在商用非晶硅太阳能电池顶部。研究人员证实，尽管在这次的实验中采用39.6 x 22.9 mm^2电池，可供电160μW/cm^2，传感器在触控期间分别消耗了31W和55nW。感应层仅消耗超低功率——20nW/cm^2，比PV能量收集的供电更少了10倍左右。

在太阳能电池顶部堆叠石墨烯透明触控传感器

研究人员的结论是，大型的透明传感器采用柔性且可拉伸的PV电池堆叠，不仅提供了自供电的电子皮肤，还能经由储存多余电力或用于驱动执行器，从而有助于为机器人等系统提高效率。这些传感器也可用于开发功能性服饰，包括头盔、手套等应用均可从中收集有用的压力资料。