一种柔性智能电子皮肤及其制备方法和应用

本技术涉及类人机器人的电子皮肤设计、制造与应用领域，主要涉及一种柔性智能电子皮肤及其制备方法和应用。

背景技术：

1、类人机器人是人类应对全球老龄化、实现未来美好生活的关键装备，在国防安全、健康服务、深空探索等重点领域其作用日益凸显。电子皮肤作为类人机器人与外界环境交互的重要媒介，其性能优劣将极大程度地决定类人机器人的实用性。人体皮肤含有丰富的感觉神经，能够感知触觉、痛觉、温觉等多种外部刺激，是人体感知外界环境的重要功能器官。为了使电子皮肤具有与人体皮肤相媲美的感知能力，一方面需要从功能上实现多模态融合，提升电子皮肤的刺激响应有效性和灵敏性；另一方面则需要从结构上实现深度仿生，提升电子皮肤的柔性并实现自愈性。

2、目前已公开的文献、专利多从单一领域对电子皮肤的功能性进行探索。中国专利cn117584578a公开了一种自愈合发光-发电弹性薄膜及其制备方法和应用，该自愈合发光-发电弹性薄膜由上至下包括力致发光-发电层、导电层和封装层，力致发光-发电层由力致发光粉末和介电弹性聚合物组成，导电层由固态导电填料、导电液体和介电弹性聚合物组成，封装层由介电弹性聚合物组成。导电液体在介电弹性聚合物拉伸过程中随介电弹性聚合物形变，通过主动形变和渗透作用实现导电通路自主修复和动态补偿。该自愈合发光-发电弹性薄膜可实现应力发光和摩擦发电，且具有高拉伸性和可自愈性，但是并未对感温、广域触觉感知能力方向展开探索。中国专利cn117647336a公开了一种基于镓基液态金属的电容式可穿戴柔性压力传感器及其制备方法，该传感器包括由镓基液态金属、导电炭黑和聚二甲基硅氧烷制成的多孔弹性体介电层，在织布上印刷镓基液态金属制备成的镓基液态金属织物电极。该发明能够有效提高可穿戴柔性压力传感器的灵敏度及电导性，还增强了其机械适应性，且具有良好的柔软性和亲肤性，可以紧贴人体或衣物，非常适合可穿戴设备、电子皮肤等应用场景，但是并为展现出自愈合和感温能力。

3、综上所述，目前的电子皮肤在功能上基本没有实现多模态深度融合，对广域触觉和冷热刺激响应的有效性和灵敏性上存在极大地不足，且绝大多数的电子皮肤无法实现广域弹性与自愈性的兼容，电子皮肤实现触觉传感方面仍然面临巨大的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本技术提出了一种柔性智能电子皮肤及其制备方法和应用，解决了现有电子皮肤不能自愈合、力学性能差、传感模式单一且灵敏度低、检测范围小等问题，在类人机器人的电子皮肤制造和应用领域具有巨大应用潜力。

2、根据本技术的一方面，提出了一种柔性智能电子皮肤，如图1所示，包括第一有机硅橡胶功能层1、第一液态金属导电层4、第二有机硅橡胶功能层2、第二液态金属导电层5和第三有机硅橡胶功能层3。所述第一有机硅橡胶功能层1、所述第二有机硅橡胶功能层2和所述第三有机硅橡胶功能层3均包含功能颗粒和具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的有机硅橡胶；所述第一液态金属导电层4和第二液态金属导电层5均包含高导电微米金属片和液态金属。此结构的柔性智能电子皮肤实现了多模态的深度融合，基于有机硅橡胶和液态金属本身的性质，使其本身具备了优秀的自愈合能力，同时，基于功能颗粒和高导电微米金属片，以及整体结构的特殊设计，柔性智能电子皮肤又获得了出色的感温、广域触觉感知能力。

3、进一步地，所述功能颗粒与具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的有机硅橡胶的质量比为1:5-100。

4、进一步地，所述功能颗粒包括感温变色粉和力致发光粉，其中，第一有机硅橡胶功能层1和第二有机硅橡胶功能层2所添加的功能颗粒均为感温变色粉，第三有机硅橡胶功能层3所添加的功能颗粒为力致发光粉。感温变色粉使得电子皮肤具有了温度感知能力，力致发光粉让电子皮肤具备了一定的的应力感知能力。

5、进一步地，所述具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的有机硅橡胶按质量百分含量计，包括以下组分：硼酸2.4wt％-7.6wt％、羟基末端的聚二甲基硅氧烷45.5wt％-82.wt6％、乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷1.3wt％-5.6wt％和三甲基硅烷末端的聚二甲基氢硅氧烷14.8wt％-46.2wt％。硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构赋予了有机硅橡胶功能层自愈合能力，且其自愈性对环境(如温度、湿度)不敏感。

6、进一步地，所述高导电微米金属片与液态金属的质量比为1:5-50。

7、进一步地，所述高导电微米金属片包括微米镍片、微米银片和微米铜片中的一种或多种。微米镍片在湿润性的改善上能够起到较好效果，微米铜片的导电性相对较好，而微米银片的导电性最佳。

8、进一步地，所述液态金属按质量百分含量计，包括以下组分：金属铟18wt％-22wt％、金属锡8wt％-12wt％和金属镓66wt％-74wt％。由于液态金属具有良好的导电性和流动性，因此液态金属构成的导电层具有极佳的信噪比及快速自愈合能力，适用于电子皮肤的自愈合导电层。

9、根据本技术的第二方面，提出了一种柔性智能电子皮肤的制备方法，具体步骤为：

10、s1：制备具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的有机硅橡胶功能层，包括第一有机硅橡胶功能层、第二有机硅橡胶功能层和第三有机硅橡胶功能层；

11、s2：制备液态金属导电层，包括第一液态金属导电层和第二液态金属导电层；

12、s3：自上而下有序堆叠形成第一有机硅橡胶功能层、第一液态金属导电层、第二有机硅橡胶功能层、第二液态金属导电层和第三有机硅橡胶功能层的柔性智能电子皮肤。

13、进一步地，所述s1中，具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的有机硅橡胶功能层具体制备方法为：将硼酸加入甲醇溶液中形成硼酸甲醇溶液；将硼酸甲醇溶液和羟基末端的聚二甲基硅氧烷胶体混合搅拌得到胶体a；将乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷和三甲基硅烷末端的聚二甲基氢硅氧烷混合搅拌得到胶体b；将胶体a和胶体b混合搅拌得到胶体c；将胶体c和功能颗粒混合搅拌得到胶体d；将胶体d烘干后，制备得到具有硼氧配位键、氢键和拓扑缠结结构的第一有机硅橡胶功能层、第二有机硅橡胶功能层和第三有机硅橡胶功能层。

14、进一步地，所述s2中，液态金属导电层的具体制备方法为：将所选金属真空加热、混合，得到液态金属混合物；将液态金属混合物与高导电微米金属片混合搅拌，得到高导电液态金属混合物；将含有特定电子电路图案的金属掩膜板放置于第二有机硅橡胶功能层和第三有机硅橡胶功能层表面，并进行紫外臭氧处理，从而提高液态金属在有机硅橡胶功能层表面的润湿性；将高导电液态金属混合物均匀地刷涂在覆盖有金属掩膜板的第二有机硅橡胶功能层和第三有机硅橡胶功能层表面，冷冻处理后将金属掩膜板取下，得到第一液态金属导电层和第二有机硅橡胶功能层堆叠结构，以及第二液态金属导电层和第三有机硅橡胶功能层堆叠结构，其中，第一液态金属导电层和第二液态金属导电层的厚度与金属掩膜板一致。

15、进一步地，所述s3中，柔性智能电子皮肤的具体堆叠方法为：将第一有机硅橡胶功能层的一面进行紫外臭氧处理，使其不易粘附灰尘，并将此面作为柔性智能电子皮肤外表面；按第二液态金属导电层和第三有机硅橡胶功能层的堆叠结构、第一液态金属导电层和第二有机硅橡胶功能层的堆叠结构、第一有机硅橡胶功能层的顺序逐层放入对准模具，自上而下形成第一有机硅橡胶功能层、第一液态金属导电层、第二有机硅橡胶功能层、第二液态金属导电层和第三有机硅橡胶功能层的五层结构。

16、进一步地，所述柔性智能电子皮肤堆叠完成后建立压强与电信号的对应关系，以及色度与温度的对应关系的具体方法为：将排线、线束导线等金属线与第一液态金属导电层的电极接口连接，利用电荷采集-处理系统将第一有机硅橡胶功能层和第一液态金属导电层构成的摩擦电模式触觉感知单元的电荷信号进行处理识别，从而获得0.2-4kpa范围内的应力感知。将排线、线束导线等金属线与第一液态金属导电层和第二液态金属导电层的电极接口连接，利用电容测量-处理系统将第一液态金属导电层、第二有机硅橡胶功能层和第二液态金属导电层构成的电容模式触觉感知单元的电容信号进行处理识别，从而获得4-28kpa范围内的应力感知。将石英光纤埋置于第三有机硅橡胶功能层内，利用背照式光纤光谱仪对第三有机硅橡胶功能层内的力致发光粉在大应力作用下的光谱信号进行处理识别，从而获得28-150kpa范围内的应力感知。将电子皮肤放置在加热台表面，在25-40℃下改变加热台温度，对电子皮肤随温度变化而引起的色度差异进行校准，建立电子皮肤的色度与温度的对应关系，从而使电子皮肤具有温度感知能力。

17、根据本技术的第三方面，提出了一种柔性智能电子皮肤应用于包括人机交互、健康服务、国防军工和深空深海探索领域。

18、进一步地，所述人机交互领域的应用包括显示触摸屏。

19、进一步地，所述健康服务领域的应用包括可穿戴运动设备。

20、进一步地，所述国防军工的应用包括信息加密设备。

21、进一步地，所述深空探索应用的应用包括航天器、潜水器传感设备。

22、本技术相对于现有技术，具有如下有益效果：

23、本技术具有摩擦电模式、电容模式、力致发光模式三种压力检测模式和一种温度检测模式，具有较宽的压力检测范围(0.2-150kpa)、较高的灵敏度(0.2-4kpa@0.98kpa-1、4-28kpa@0.11kpa-1、28-150kpa@1.12kpa-1)、全结构自愈性。这些卓越的性能有力地保障了该电子皮肤在复杂环境下的服役可靠性，在类人机器人的电子皮肤领域拥有巨大的应用潜力。