基于石墨烯的触觉传感器研究进展综述

石墨烯作为一种极具潜力的纳米材料，独特的机电特性使其在多种工业应用中展现出广阔的应用前景。常见的石墨烯形态包括石墨烯粉末、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO），这些材料常被用于开发各种基于纯材料或纳米复合材料的柔性触觉传感器。得益于石墨烯与聚合物基质及其它金属纳米材料优异的界面结合能力，石墨烯基触觉传感器能够在多种操作环境下展现出优异性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自浙江海洋大学、澳大利亚昆士兰大学（The University of Queensland）、德国开姆尼茨工业大学（Chemnitz University of Technology）等机构的研究团队在Sensors And Actuators A-physical期刊上发表了一篇题为“A review on graphene-based sensors for tactile applications”的综述文章，重点探讨了基于石墨烯的柔性触觉传感器的开发及其在机器人触觉等领域的应用，并对当前面临的挑战和未来发展进行了展望。

图1 本研究的图文摘要

基于石墨烯的触觉传感器

这篇综述文章介绍了基于纯石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯三种形态制备触觉传感器的技术路线，通过各种印刷技术，将不同形态的石墨烯与聚合物基底结合，形成单层及多层结构的传感器薄膜。这些传感器在机器人触觉等领域得到了广泛应用。

图2 （a）在二氧化硅（SiO₂）基底上利用石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备的薄膜传感器；（b）透明石墨烯基传感器的图像；（c）石墨烯薄膜的透射率和拉曼光谱

图3 （a）使用基于还原氧化石墨烯的导电油墨制备柔性传感器的示意图；（b）传感器的粘度、损耗模量和存储模量随剪切速率、剪切应力和时间的变化特征；（c）传感器尺寸图示

图4 （a）柔性石墨烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）传感器的制备步骤；（b）通过晶圆级制造工艺制备的传感器放大图；（c）传感器拉伸前后的状态变化；（d）传感器对施加应变的响应

图5 （a）基于石墨烯的摩擦纳米发电机（TENG）器件的光学图像；（b）拉伸前后的传感器图像：（c）利用有限元分析得出的应变分布；（d）与-x和-y方向拉伸有关的电阻相对变化；（e）开路电压随-x和-y方向拉伸的相对变化

图6 （a）开发氧化石墨烯薄膜的制备方案；（b）传感器对湿度和弯曲曲率的响应

图7 （a）基于氧化石墨烯的电容式压力传感器制备步骤；（b）传感器电容响应随压力变化

图8 （a）基于氧化石墨烯/PET的传感器制备步骤；（b）传感器的灵活性展示；（c）用于温度传感的传感器尺寸；（d）施加压力前后传感器的原理图和扫描电镜图像

通过对比基于不同石墨烯形态的触觉传感器的制备和性能，可以发现不同加工材料之间存在明显差异。对于采用纯石墨烯开发的触觉传感器来说，其最大优势之一是灵敏度极高，这主要得益于石墨烯卓越的电导率和抗拉强度。石墨烯作为一种活性材料，可形成用于触觉传感应用的物理传感器，其性能优于传统的应变传感方法。对于基于石墨烯衍生物的触觉传感器来说，它们还具有其它优势，例如快速制备、操作简单、分辨率高、成本低和性能高效。这些传感器用于机器人触觉传感应用时具有显著优势，例如能够有效提升外科手术等领域的操作精准度。

基于石墨烯的触觉传感器应用研究

石墨烯基触觉传感器的主要优势在于其高导电性、出色的机械柔韧性、响应的高重复性和再现性、生物兼容性以及较低的响应和恢复时间。这些传感器在健康监测和工业领域也有各种成功应用。例如，将石墨烯基触觉传感器连接在机器人或人体关节上，能够实现动作细节的精准捕捉。

图9 （a）石墨烯基传感器的原理图；传感器响应描述了其（b）压阻特性和（c）快速响应时间

图10 新加坡国立大学研究人员设计的新型机器人系统，其压阻薄膜由石墨烯层组成

研究展望

在未来的研究发展中，还需要进一步优化石墨烯材料质量，从而有效提升石墨烯基触觉传感器的性能。由于石墨烯同素异形体的物理差异会导致其与聚合物基体结合程度的差异，进而造成传感器响应差异，因此需要不断创新石墨烯合成方法。从机器人触觉应用角度来看，将这些石墨烯基传感器用作电子皮肤将进一步提高机器人对多种刺激模式同时响应的能力。这些传感器原型有望在实时通信中以无线方式使用，例如将它们连接到假肢身体部位或失去皮肤的人体部位。随着机器人在人类生活中的影响越来越大，有效利用石墨烯基传感器与合适的执行器连接，将极大地推动智能传感系统的发展。

论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115363

审核编辑：刘清