澳门大学周冰朴团队 Adv. Mater. : 基于仿生磁化微脊结构的“粘-滑”过程重构

2025-03-21 来源：高分子科技

指尖扫描特定表面时发生的“粘-滑”现象，对于感知皮肤和表面之间的相互作用至关重要。手指与表面滑动接触时产生的摩擦作用会使得皮肤反复经历切向形变以及快速恢复的过程，触觉神经则将上述过程编码为神经电信号传递给大脑，用于判断“粘-滑”现象发生与否以实现对表面特性的定性反馈。了解“粘-滑”行为对于智能触觉传感器等柔性仿生系统的发展具有重要的意义，而如何实现可恢复剪切形变及相应电信号输出则对器件设计具有较高的要求。

近期，澳门大学周冰朴教授团队开发了一种由磁化三明治状夹层结构和柔性铜线圈组成的仿生触觉传感器，用于研究与特定表面接触时的“粘-滑”现象。该结构的上层是主要用于固定线圈的非磁化聚二甲基硅氧烷(PDMS)层，底层是与目标表面相互作用的磁化薄膜，脊状结构组成的可变形层被封装在顶层和底层之间。当器件扫描特定表面时，柔性脊状结构在拉伸过程中会变形，并在底部基材与目标表面之间的静摩擦力达到最大值时迅速恢复；该恢复过程中磁通量会快速变化，从而在柔性线圈中产生明显的感应电流峰值。器件与接触表面的连续相对滑动接触时，反复的形变和快速恢复过程，则会在柔性线圈中产生一系列电流峰值信号用于实时监测“粘-滑”现象（图1）。器件与表面产生粘滞与滑动周期性交替发生的原因，主要是由于接触过程中静、动摩擦力交替转换导致的。为了更精确的描述“粘-滑”行为，研究团队对单个脊结构进行了详细的受力分析，并且将其简化为弹簧模型用于研究影响相邻电流峰值时间间隔的因素（图2）。宽度（W）、高度（H）和剪切模量（G）是磁性脊的三个重要物理参数，它们对器件感知“粘-滑”过程中产生的电流脉冲周期的影响趋势被展示在图3中。除了柔性结构的本身的参数，滑动扫描过程施加给器件的速度和压力等测试参数也会对电流峰值周期造成影响（图4）。相比于光滑干燥的表面，当待测表面被润湿或粗糙度增加时会改变器件所受到的摩擦力，使得粘滑现象被完全滑移现象取代，周期性的电流脉冲也逐渐消失（图5）。

图1 用于粘-滑感知的三明治脊状仿生磁化传感器示意图。

图2 (a) 粘滑过程中柔性传感器及(b) 单个脊结构的简化受力模型示意图。

图3 (a) 仿生脊结构的高径比及(b) 材料的剪切模量对电信号周期的影响。

图4 (a) 法向力及(b) 扫描速度对电信号周期的影响。

图5 (a) 具有不同润湿区域的表面示意图及(b) 器件扫过不同区域的电流信号。

总结：这项研究引入了一种具有独特剪切形变恢复能力的磁化仿生脊结构，可模拟人类指尖滑过表面时的动态粘-滑状态。该工作系统研究了各种关键因素对“粘-滑”过程中感应电流信号周期的影响，不仅增加对指尖扫描特定表面时产生的相互作用的了解，也为未来探索更多维度的可穿戴触觉传感器奠定了基础。该工作以“Revisiting the “Stick-Slip” Process via Magnetism-Coupled Flexible Sensors with Bioinspired Ridge Architecture”为题发表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2025, 2417867），论文的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生方丹。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202417867

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（责任编辑：xu）

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