基于柔性材料制成的力和應(yīng)變傳感器使機(jī)器人能夠與周?chē)h(huán)境實(shí)現(xiàn)智能互動(dòng)，在人機(jī)交互、可穿戴電子設(shè)備和健康監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在各類(lèi)柔性傳感器中，電容式傳感器因其功耗低、響應(yīng)快、制作簡(jiǎn)易而被廣泛采用。然而，電容式傳感器非常容易受到運(yùn)動(dòng)或附近物體以及低水平電磁（EM）干擾的影響，這使得柔性電容式傳感器僅能在具有嚴(yán)格環(huán)境控制的實(shí)驗(yàn)室中使用，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）柔性傳感器實(shí)驗(yàn)室（LMTS）的研究人員提出一種具有屏蔽電磁干擾特性的柔性電容式力傳感器，與現(xiàn)有的電容式傳感器相比，該傳感器能夠有效屏蔽外部物體運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)的影響，具有高靈敏度、低噪聲等顯著優(yōu)點(diǎn)，幾乎適用于各種柔性機(jī)器、夾具和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

由于屏蔽和感應(yīng)電極之間的寄生電容會(huì)在傳感器變形時(shí)發(fā)生變化，為了解決這一問(wèn)題，研究人員實(shí)施了兩種不同的設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了具備屏蔽特性的柔性電容式傳感器：基于液態(tài)金屬（LM）微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和基于超軟硅膠泡沫（SF）的設(shè)計(jì)。這兩種傳感器具有相似的設(shè)計(jì)原理：外部兼容屏蔽電極密封在一個(gè)非常柔軟的感應(yīng)區(qū)域，其他區(qū)域是相對(duì)較硬的無(wú)源部分。該結(jié)構(gòu)旨在使傳感器可以感應(yīng)微弱力信號(hào)，同時(shí)最大限度地減少內(nèi)部和外部寄生電容的影響。當(dāng)施加力時(shí)，感應(yīng)區(qū)域中電極的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。研究人員通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使該傳感器單位電容變化最大化，同時(shí)確保其形狀的靈活性和可拉伸性，能夠輕松集成在非平面表面上。

（a）LM傳感器設(shè)計(jì)圖示；（b）SF傳感器設(shè)計(jì)圖示。

通過(guò)研究對(duì)比，證明了LM傳感器在正常負(fù)載和剪切負(fù)載下比SF傳感器具有更好的耐用性。因此，研究人員基于LM傳感器展示了其應(yīng)用效果。

研究人員檢測(cè)了該傳感器在操作各種日常物品過(guò)程中的相互作用力，包括非常柔軟的水氣球、堅(jiān)硬的鋼條，以及導(dǎo)電鋁板、不導(dǎo)電的丙烯酸立方體。在各種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，該傳感器的屏蔽特性均能有效減弱各種干擾，可準(zhǔn)確測(cè)量和輸出抓取力數(shù)據(jù)，且不受附近高壓驅(qū)動(dòng)器（4.5 kVmm?1）或被操作物體電學(xué)特性的影響，即使在極端工作條件下，該傳感器同樣能夠良好運(yùn)行。

柔性電容式力傳感器可用于檢測(cè)操縱各種物體過(guò)程中的相互作用力

柔性電容式力傳感器可精準(zhǔn)檢測(cè)紙條和導(dǎo)電粘合劑表面之間的牽引力

該研究項(xiàng)目獲得歐盟“地平線(xiàn)2020”（European unio’s Horizon 2020）研究和創(chuàng)新計(jì)劃（869963）的資助，以及瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（200020_184661）的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32391-0