DOI: 10.1016/j.jiec.2021.05.048

可拉伸电容式触觉传感器对于当前和未来的软机器人技术至关重要，尤其是对于设计机器人的人造电子皮肤而言。在这项研究中，作者通过在可拉伸丁腈橡胶（NBR）片上喷涂导电石墨烯纳米片（GNPs）或碳纳米纤维（CNFs）以及液态天然橡胶（NR）粘合剂来制备可拉伸电子触觉传感器。与GNP基涂层（在50％伸长率下，电阻为600Ωsq-1，电流传输降低约为99％）相比，CNF基涂层在伸长状态下显示出30Ωsq-1的低薄层电阻和更好的电流传输模式，在50％伸长率下电流传输减少约50％。由于重复拉伸释放循环而导致涂层内的结构损坏/裂纹可以通过快速对流热退火工艺进行修复，恢复到初始电流。将其连接到印刷电路板（PCB）以评估基于CNFs涂层丁腈橡胶制备的柔性电容装置的触觉传感特性。该装置可以很容易地检测从几十mN到几N的触觉力，对应于曲线表面或伸长率下的（10-2-10）kPa压力范围。

图1.（a）拉伸前GNP涂层NBR的SEM横截面和（b）表面形貌；（c）循环（拉伸50％并释放回初始长度的20％）和（d）连续伸长（伸长5％提高到50％）后GNP的表面形态；（e）拉伸前CNF涂层NBR的横截面（用黄点表示）和（f）表面形态；（g）循环和（h）连续伸长后CNF的表面形态。

图2.30wt％GNP伸长50％（步骤A）并释放至初始长度的20％（步骤B）的电气性能。

图3.30wt％CNF涂层纳米复合材料伸长50％（步骤A）并释放至初始长度的20％（步骤B）的电气性能。

图4.使用热风枪对流退火后GNP（a）和CNF（b）基涂层的电流恢复；GNP和CNF基涂层在连续拉伸下的电流响应（c）。

图5.在伸长50％（步骤A）并释放至初始长度的20％（步骤B）的过程中，GNP基涂层随时间变化的电流响应。

图6.在伸长50％（步骤A）并释放至初始长度的20％（步骤B）的过程中，CNF基涂层随时间变化的电流响应。

图7.NBR片材上的纳米墨水喷涂装置（a）显示了触觉像素点（taxel）排列和图案化迹线的长度（约10厘米），（b）具有圆形触觉像素点和互连马蹄形结构的商用TPU可拉伸电路板布局。两个设备的触觉像素点有两种不同的尺寸，分别为5和10毫米直径；商用TPU的轨迹长达30厘米，（c）用于电容读数的电子板通过弹簧加载弹簧针连接到可拉伸设备。然后用可变形的非织造网覆盖图案结构，顶部为接地电极，从而构建出压敏电容器，这是基本的传感单元。

图8.（a）实验装置的图片，可变形网格+GND电极放置在可拉伸装置顶部，（b）装置的垂直剖面，示意图显示了触觉传感器的电容传感机制：未按压网格具有对应于特定电容值的静止厚度A，受压区域B的厚度更小：压缩与力成正比，电容相应增加。

图9.来自（a）丁腈橡胶设备上的CNF和（b）TPU设备上的商用铜的电容信号，可变形网格上的负载从0增加到18.4N（对应于0-11.6kPa压力范围），（c）受试器件的触觉像素点响应：丁腈橡胶上的CNF，TPU上的商用铜以及两个样品的拟合参数，顶部为CNF器件（用蓝色箭头表示），底部为TPU器件上的铜（红色箭头）。