基于柔性材料制成的力和應(yīng)變傳感器使機器人能夠與周圍環(huán)境實現(xiàn)智能互動，在人機交互、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。在各類柔性傳感器中，電容式傳感器因其功耗低、響應(yīng)快、制作簡易而被廣泛采用。然而，電容式傳感器非常容易受到運動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格環(huán)境控制的實驗室中使用，限制了其實際應(yīng)用。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）柔性傳感器實驗室（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動和電場的影響，具有高靈敏度、低噪聲等顯著優(yōu)點，幾乎適用于各種柔性機器、夾具和可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景。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在傳感器變形時發(fā)生變化，為了解決這一問題，研究人員實施了兩種不同的設(shè)計策略，實現(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)計和基于超軟硅膠泡沫（SF）的設(shè)計。這兩種傳感器具有相似的設(shè)計原理：外部兼容屏蔽電極密封在一個非常柔軟的感應(yīng)區(qū)域，其他區(qū)域是相對較硬的無源部分。該結(jié)構(gòu)旨在使傳感器可以感應(yīng)微弱力信號，同時最大限度地減少內(nèi)部和外部寄生電容的影響。當施加力時，感應(yīng)區(qū)域中電極的相對位置會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容發(fā)生變化。研究人員通過設(shè)計優(yōu)化，使該傳感器單位電容變化最大化，同時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)計圖示；（b）SF傳感器設(shè)計圖示。

通過研究對比，證明了LM傳感器在正常負載和剪切負載下比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。

研究人員檢測了該傳感器在操作各種日常物品過程中的相互作用力，包括非常柔軟的水氣球、堅硬的鋼條，以及導(dǎo)電鋁板、不導(dǎo)電的丙烯酸立方體。在各種實驗場景下，該傳感器的屏蔽特性均能有效減弱各種干擾，可準確測量和輸出抓取力數(shù)據(jù)，且不受附近高壓驅(qū)動器（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行。

柔性電容式力傳感器可用于檢測操縱各種物體過程中的相互作用力

柔性電容式力傳感器可精準檢測紙條和導(dǎo)電粘合劑表面之間的牽引力

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

論文鏈接：

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