CN109945996A - 一种新型机器人电子皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型机器人电子皮肤及其制备方法，该电子皮肤包括复合设置的压力敏感单元和电致发光单元，不但对外界压力有所响应，而且能够通过电致发光单元显示出来。本发明提供的电子皮肤制备方法简单，能耗低，适用于大面积制备，制备的电子皮肤具有低成本、高灵敏度、高稳定性等优势，且具备柔性、可拉伸等特性，在机器人领域具有广泛的应用前景。

Description

一种新型机器人电子皮肤及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感技术领域，涉及一种机器人电子皮肤及其制备，具体涉及一种基于压力敏感单元和电致发光单元复合的新型机器人电子皮肤及其制备方法。

背景技术

机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。自1956年机器人产业诞生后，经过60多年发展，机器人已经被广泛应用在装备制备、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人与人工智能技术、先进制备技术和移动互联网技术的融合发展，推动了人类社会生活方式的变革。

机器人为了更好的实现对于外部环境的感知，并且进行相应的操作，必须要有和人类相似的触觉、视觉、听觉等感知能力。为了实现这些功能，在科学家的努力下，电子皮肤被创造出来，用来模仿人类的感觉器官，对外部环境进行感知，机器人操作***对得到的信号进行处理，从而进行一系列的行为。

电子皮肤，一种可以让机器人产生触觉的***，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。但是一般电子皮肤通过感知外部刺激，在一系列外加电路模块的辅助下，将其转化为电学信号，如电容、电阻变化等，操作起来极其复杂，需要很多专业仪器，成本高昂，而且不具有可视性，无法通过肉眼直接观察机器人所受到的刺激，操作人员无法及时做出反应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于压力敏感单元和电致发光单元复合的新型机器人电子皮肤，以针对性地解决现有的电子皮肤在可视化和人机互动方面的不足，拓宽机器人电子皮肤的应用领域。

本发明的新型机器人电子皮肤，包括依次复合设置的压力敏感单元和电致发光单元。

其中，所述的压力敏感单元包括柔性基底及依次设置在柔性基底上的力敏感层和上电极层。

所述的柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、铂催化硅橡胶(Eco-flex)聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或多种。

所述的力敏感层包含金字塔微结构的导电层。

所述的压力敏感单元的上电极层为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线、金纳米线、导电石墨烯中的一种或多种。

其中，所述的电致发光单元包括依次设置的下电极层、发光层和上电极层。

所述的电致发光单元下电极层和上电极层为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线、金纳米线、导电石墨烯中的一种或多种。

所述的发光层为凝胶材料与发光量子点的掺杂层。

所述的凝胶材料为氯化钠水凝胶、硝酸钙水凝胶、氯化锂水凝胶、氟化锂水凝胶、聚离子液体凝胶或者交联凝胶中的一种或多种。

所述的发光量子点为硫化铬、硫化锌、硫化锌铜、锡化铬中的一种或多种。

本发明也提供了一种上述新型机器人电子皮肤的制备方法，包括下述步骤：

S1、在柔性基底上制备金字塔微结构图形；

S2、在金字塔微结构图形上转移一层导电层形成力敏感层；

S3、在导电层上面柔性材料下面制备电极层作为压力敏感单元的上电极层；

S4、在柔性材料上面再制备电极层作为电致发光单元的下电极层；

S5、在电致发光单元的下电极层上制备凝胶掺杂量子点层作为发光层；

S6、在发光层上制备电致发光单元的上电极层。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的新型机器人电子皮肤，不仅能感知外界力，而且能够通过电致发光单元光的强度表现出来。该电子皮肤具有高柔性、高灵敏、低成本、制作简单的优点，对于智能机器人产业发展、安全预警、人机互动等领域有极大的推进作用。

附图说明

图1是本发明的新型机器人电子皮肤的简明结构示意图；

图2是本发明的新型机器人电子皮肤的金字塔微结构导电层的电子显微镜图(5μm)；

图3是本发明的新型机器人电子皮肤的金字塔微结构导电层的电学性能图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。

实施例1

将PDMS预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个电子皮肤的柔性基底1。用蚀刻法在硅板上制作出金字塔微结构形状的模具，将PDMS预聚物涂在加工好的金字塔微结构模具上，放在加热台上加热，80℃下，30分钟，固化后揭下。用喷涂的方法在具有金字塔微结构的PDMS上涂上碳纳米管，作为力敏感层2。在一块制作好的PDMS下方，用溅射方式，覆盖一层银纳米线电极，作为压力敏感单元的上电极层3。然后在PDMS上方用喷涂方式覆盖一层导电石墨烯，作为电致发光单元的下电极层4。之后，用氯化钠水凝胶掺杂硫化铬，在真空中搅拌2小时，在加热台上加热1小时，形成固态的离子掺杂量子点的复合层，放在导电石墨烯层上方，作为电致发光单元的发光层5。在其上用喷涂方式覆上一层碳纳米管，作为电致发光单元的上电极层6。最后用热压的方式将压力敏感单元和电致发光单元结合在一起，其结构如图1所示。

实施例2

将Ecoflex预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个电子皮肤的柔性基底。用蚀刻法在硅板上制作出金字塔微结构形状的模具，将PDMS预聚物涂在加工好的金字塔微结构模具上，放在加热台上加热，80℃下，30分钟，固化后揭下。用溅射方式在具有金字塔微结构的PDMS上涂上金属银纳米线，作为力敏感层。在一块制作好的PDMS下方，用溅射方式，覆盖一层金纳米线电极，作为压力敏感单元的上电极层。然后在PDMS上方用喷涂方式覆盖一层导电石墨烯，作为电致发光单元的下电极层。之后，用硝酸钙水凝胶掺杂硫化锌，在振荡台上振荡30分钟，在真空下加热1小时，形成固态的离子掺杂量子点的复合层，放在导电石墨烯层上方，作为电致发光单元的发光层。在其上用喷涂方式覆上一层碳纳米管，作为电致发光单元的上电极层。最后用热压的方式将压力敏感单元和电致发光单元结合在一起。

实施例3

将PDMS预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个电子皮肤的柔性基底。用蚀刻法在硅板上制作出金字塔微结构形状的模具，将PDMS预聚物涂在加工好的金字塔微结构模具上，放在加热台上加热，80℃下，30分钟，固化后揭下。用喷涂方式在具有金字塔微结构的PDMS上涂上导电石墨烯，作为力敏感层。在一块制作好的PDMS下方，用溅射方式，覆盖一层银纳米线电极，作为压力敏感单元的上电极层。然后在PDMS上方用喷涂方式覆盖一层导电石墨烯，作为电致发光单元的下电极层。之后，用氟化锂水凝胶掺杂硫化铬，在振荡台上振荡30分钟，在真空下加热1小时，形成固态的离子掺杂量子点的复合层，放在导电石墨烯层上方，作为电致发光单元的发光层。在其上用溅射方式覆上一层纳米线电极，作为电致发光单元的上电极层。最后用热压的方式将压力敏感单元和电致发光单元结合在一起。

实施例4

将Ecoflex预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个电子皮肤的柔性基底。用蚀刻法在硅板上制作出金字塔微结构形状的模具，将PDMS预聚物涂在加工好的金字塔微结构模具上，放在加热台上加热，80℃下，30分钟，固化后揭下。用喷涂方式在具有金字塔微结构的PDMS上涂上碳纳米管，作为力敏感层。在一块制作好的PDMS下方，用溅射方式，覆盖一层金纳米线电极，作为压力敏感单元的上电极层。然后在PDMS上方用喷涂方式覆盖一层碳纳米管，作为电致发光单元的下电极层。之后，用氯化钠水凝胶掺杂锡化铬，在振荡台上振荡30分钟，在真空下加热1小时，形成固态的离子掺杂量子点的复合层，放在碳纳米管层上方，作为电致发光单元的发光层。在其上用溅射方式覆上一层金属银纳米线，作为电致发光单元的上电极层。最后用热压的方式将压力敏感单元和电致发光单元结合在一起。

实施例5

将PDMS预聚物倒在制作好的模具中，放在加热台上加热，固化后揭下，作为整个电子皮肤的柔性基底。用蚀刻法在硅板上制作出金字塔微结构形状的模具，将PDMS预聚物涂在加工好的金字塔微结构模具上，放在加热台上加热，80℃下，30分钟，固化后揭下。用溅射方式在具有金字塔微结构的PDMS上涂上铜作为力敏感层。在一块制作好的PDMS下方，用喷墨印刷的方法覆盖一层银纳米线电极，作为压力敏感单元的上电极层。然后在PDMS上方用喷涂方式覆盖一层导电石墨烯，作为电致发光单元的下电极层。之后，用聚离子液体凝胶掺杂锡化铬，在振荡台上振荡30分钟，在真空下加热一小时，形成固态的离子掺杂量子点的复合层，放在导电石墨烯层上方，作为电致发光单元的发光层。在其上用溅射方式覆上一层金属银，作为电致发光单元的上电极层。最后用热压的方式将力敏感单元和电致发光单元结合在一起。

本发明的新型机器人电子皮肤的压力传感单元由于采用了带有金字塔微结构的力敏感层，其对于压力有明显的电学响应信号。电致发光材料基于溶液化加工制备，将溶液化的凝胶掺杂发光量子点材料，从而制备出发光复合层，具备工艺简单、成本低廉、材料利用率高、高灵敏等特点，对于底部的压力传感单元导出的电学信号，将其转化成发光复合层本身的发光强度，直观、简便。制备的新型机器人电子皮肤在外部刺激可视化、人机交互、安全预警等领域有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种新型机器人电子皮肤，其特征在于，包括依次复合设置的压力敏感单元和电致发光单元；

其中，所述的压力敏感单元包括柔性基底及依次设置在柔性基底上的力敏感层和上电极层；所述的电致发光单元包括依次设置的下电极层、发光层和上电极层。

2.根据权利要求1所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的柔性基底为聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、铂催化硅橡胶、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的力敏感层包含金字塔微结构的导电层。

4.根据权利要求1所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的压力敏感单元的上电极层为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线、金纳米线、导电石墨烯中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的电致发光单元下电极层和上电极层为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线、金纳米线、导电石墨烯中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的发光层为凝胶材料与发光量子点的掺杂层。

7.根据权利要求6所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的凝胶材料为氯化钠水凝胶、硝酸钙水凝胶、氯化锂水凝胶、氟化锂水凝胶、聚离子液体凝胶或者交联凝胶中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的新型机器人电子皮肤，其特征在于，所述的发光量子点为硫化铬、硫化锌、硫化锌铜、锡化铬中的一种或多种。

9.一种权利要求1～8所述新型机器人电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、在柔性基底上制备金字塔微结构图形；

S2、在金字塔微结构图形上转移一层导电层形成力敏感层；

S3、在导电层上面柔性材料下面制备电极层作为压力敏感单元的上电极层；

S4、在柔性材料上面再制备电极层作为电致发光单元的下电极层；

S5、在电致发光单元的下电极层上制备凝胶掺杂量子点层作为发光层；

S6、在发光层上制备电致发光单元的上电极层。