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澳門大學周冰樸團隊 Adv. Mater. : 基于仿生磁化微脊結構的“粘-滑”過程重構

2025-03-21 來源：高分子科技

指尖掃描特定表面時發生的“粘-滑”現象，對于感知皮膚和表面之間的相互作用至關重要。手指與表面滑動接觸時產生的摩擦作用會使得皮膚反復經歷切向形變以及快速恢復的過程，觸覺神經則將上述過程編碼為神經電信號傳遞給大腦，用于判斷“粘-滑”現象發生與否以實現對表面特性的定性反饋。了解“粘-滑”行為對于智能觸覺傳感器等柔性仿生系統的發展具有重要的意義，而如何實現可恢復剪切形變及相應電信號輸出則對器件設計具有較高的要求。

近期，澳門大學周冰樸教授團隊開發了一種由磁化三明治狀夾層結構和柔性銅線圈組成的仿生觸覺傳感器，用于研究與特定表面接觸時的“粘-滑”現象。該結構的上層是主要用于固定線圈的非磁化聚二甲基硅氧烷(PDMS)層，底層是與目標表面相互作用的磁化薄膜，脊狀結構組成的可變形層被封裝在頂層和底層之間。當器件掃描特定表面時，柔性脊狀結構在拉伸過程中會變形，并在底部基材與目標表面之間的靜摩擦力達到最大值時迅速恢復；該恢復過程中磁通量會快速變化，從而在柔性線圈中產生明顯的感應電流峰值。器件與接觸表面的連續相對滑動接觸時，反復的形變和快速恢復過程，則會在柔性線圈中產生一系列電流峰值信號用于實時監測“粘-滑”現象（圖1）。器件與表面產生粘滯與滑動周期性交替發生的原因，主要是由于接觸過程中靜、動摩擦力交替轉換導致的。為了更精確的描述“粘-滑”行為，研究團隊對單個脊結構進行了詳細的受力分析，并且將其簡化為彈簧模型用于研究影響相鄰電流峰值時間間隔的因素（圖2）。寬度（W）、高度（H）和剪切模量（G）是磁性脊的三個重要物理參數，它們對器件感知“粘-滑”過程中產生的電流脈沖周期的影響趨勢被展示在圖3中。除了柔性結構的本身的參數，滑動掃描過程施加給器件的速度和壓力等測試參數也會對電流峰值周期造成影響（圖4）。相比于光滑干燥的表面，當待測表面被潤濕或粗糙度增加時會改變器件所受到的摩擦力，使得粘滑現象被完全滑移現象取代，周期性的電流脈沖也逐漸消失（圖5）。

圖1 用于粘-滑感知的三明治脊狀仿生磁化傳感器示意圖。

圖2 (a) 粘滑過程中柔性傳感器及(b) 單個脊結構的簡化受力模型示意圖。

圖3 (a) 仿生脊結構的高徑比及(b) 材料的剪切模量對電信號周期的影響。

圖4 (a) 法向力及(b) 掃描速度對電信號周期的影響。

圖5 (a) 具有不同潤濕區域的表面示意圖及(b) 器件掃過不同區域的電流信號。

總結：這項研究引入了一種具有獨特剪切形變恢復能力的磁化仿生脊結構，可模擬人類指尖滑過表面時的動態粘-滑狀態。該工作系統研究了各種關鍵因素對“粘-滑”過程中感應電流信號周期的影響，不僅增加對指尖掃描特定表面時產生的相互作用的了解，也為未來探索更多維度的可穿戴觸覺傳感器奠定了基礎。該工作以“Revisiting the “Stick-Slip” Process via Magnetism-Coupled Flexible Sensors with Bioinspired Ridge Architecture”為題發表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2025, 2417867），論文的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生方丹。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202417867

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（責任編輯：xu）

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