近日，南方科技大学工学院材料科学与工程系教授郭传飞团队以“Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces”为题在学术期刊Nature Communications上发表电子皮肤设计新理念。研究团队在文中提出了一种同质器件结构、微结构界面拓扑交联的柔性压力传感器设计策略，并实现了传感器-软体机器人的无缝集成。

电子皮肤或柔性压力传感器能够赋予智能机器人触觉感知功能，有望为机器人技术带来巨大变革。传统的电子皮肤大多为多层异质结构，功能层的材料不同、弹性模量不同，存在显著的力学失配。此外，功能层之间往往通过简单的堆叠进行器件组装。这种具有异质结构、非粘结界面的器件存在界面不稳定的问题，在高剪切力条件下容易发生界面分层，进而造成传感信号失真、失效。此外，电子皮肤与软体机器人之间的界面同样存在力学失配和界面粘附力不足的问题。因此，解决柔性电子皮肤界面稳定性问题，同时实现高性能传感极具应用价值。

图1. 本研究的电子皮肤设计策略：传统传感器为多层异质结构，在形变下易发生界面破坏；本研究的同质器件结构和界面拓扑交联可以保持器件的稳定性

基于此，研究团队舍弃常规的传感器异质结构，提出“同质”结构设计理念，有效消除界面的力学失配。同时，在微结构界面引入拓扑交联，获得了高达 ~390 J·m-2的界面韧性和90 kPa的高剪切强度。此研究揭示了这种微结构界面的增韧机制：微结构形变引起的能量耗散，以及抑制裂纹快速扩展的“离散型断裂”。值得一提的是，这种设计不但能够提升器件的稳定性，同时还把器件的响应提升了30多倍，这来源于弹性体材料中掺杂导电粒子引起的渗流转变和微结构界面接触面积的增加两种效应的协同。

这种传感器在高压、高剪切力模式下表现出了优异的稳定传感性能。例如，传感器在循环摩擦十万次后，或在5 kPa的剪切力下循环作用一万次后，仍然保持着稳定的传感性能。得益于这种高稳定性，传感器贴附在汽车车胎上（~300 kPa 的压力以及~6 kPa 的剪切应力）行驶2.6 km后仍然可以正常工作，没有观察到器件的界面破坏。

图2. 传感器贴附在汽车轮胎上的稳定性测试

这种同质结构和界面拓扑交联策略可进一步拓展到传感器和机器人的集成上，通过电子皮肤-软体机器人之间共融界面的构筑，器件在软体抓手不同的抓取场景下都表现出极稳定的传感性能。该设计策略对电子皮肤在极端力学环境下的可靠稳定传感提供了新思路。

南方科技大学材料科学与工程系2019级博士生张愿、四川大学副研究员杨俊龙为论文共同第一作者，郭传飞为论文唯一通讯作者，南方科技大学是论文唯一通讯单位。该研究合作者包括南方科技大学力学与航空航天系助理教授杨灿辉、腾讯Robotics X实验室博士戴媛和张正友、沈阳工业大学教授武祥等。该研究工作得到国家自然科学基金委、广东省科技厅、深圳市科创委以及腾讯机器人实验室的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-29093-y