一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法
阅读说明：本技术 一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法 (Perception storage integrated bionic tactile fiber and preparation method thereof ) 是由 赵雨农 潘俊 郭小辉 李翠翠 毛善安 刘晨阳 邱雷 王威 季芬芬 于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法,所述感知存储集成式仿生触觉纤维由内至外依次包括导电纤维基底层、包裹在所述导电纤维基底层外周的基底改性层、包裹在所述基底改性层外周的储存功能层、以及包裹在所述存储功能层外周的感知功能层,所述感知功能层外表面一端设置有导电纤维上电极,所述储存功能层采用的材料为忆阻功能材料,所述感知功能层采用的材料为压力敏感材料。本发明将触觉传感器和忆阻器两类功能分离器件集成,可实现触觉信息的感知和存储功能,提升触觉感知系统中信息处理的速度和效率。(The invention discloses a sensing and storing integrated bionic tactile fiber and a preparation method thereof, wherein the sensing and storing integrated bionic tactile fiber sequentially comprises a conductive fiber substrate layer, a substrate modification layer wrapped on the periphery of the conductive fiber substrate layer, a storage functional layer wrapped on the periphery of the substrate modification layer and a sensing functional layer wrapped on the periphery of the storage functional layer from inside to outside, one end of the outer surface of the sensing functional layer is provided with a conductive fiber upper electrode, the storage functional layer is made of a memristive functional material, and the sensing functional layer is made of a pressure sensitive material. According to the invention, two types of function separation devices, namely the touch sensor and the memristor, are integrated, so that the sensing and storage functions of touch information can be realized, and the speed and efficiency of information processing in a touch sensing system are improved.)
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体是一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法。
背景技术
随着人工智能和物联网的不断发展，人类社会正由信息化向智能化发展，智能化的实现需要信息系统具备对外界信息进行实时感知获取、高效处理并及时做出决策的能力。对于信息系统，首先需具备信息感知能力。信息感知利用多种效应(物理、化学、生物等)感受事务的特征信息，通过特定转换规律输出可利用信号，完成对目标事物属性、状态、特点等的表征。信息感知技术(包括仪器、设备、系统等)可完成外界信息的探测和获取，其对于信息后续的存储和处理等环节至关重要。近年来，与信息感知、存储和处理相关的电子设备或系统的发展趋势面向智能化、轻量化、便携化等方面，同时带来了海量信息和数据的大数据时代也对信息感知、存储和处理的需求提出了新的挑战。人类信息处理机制依赖于神经元、突触、中枢神经系统等构建的感受系统完成对外界复杂信息的感知、存储和处理，微纳传感器与忆阻器集成设计开发仿生感受系统是当前信息系统研究方向之一。
触觉(或压力)传感器可实现对外界物理刺激信息的感知；忆阻器是一类新型电子器件，通过流经的电荷可确定其阻值(测量忆阻的阻值，可得到流经的电荷量)，具备记忆电荷的功能。对于人体触觉来说，人体触觉神经元具有触觉信息感知、传递、存储等功能。当前研究主要集中在单一功能器件方面，包括仅具有触觉信息感知功能的触觉传感器，以及仅具有信息存储功能的忆阻器，少数研究设计了触觉信息感知和存储功能集成的器件，但对于人体触觉感受系统的结构、形态仿生研究处于停滞状态。基于人体触觉感知处理机制，将柔性纤维触觉传感器与忆阻器通过器件集成设计，开发仿生触觉纤维，实现触觉信息感知和存储的双重功能，发展高效感知、快速处理的仿生触觉感受系统，有望促进电子皮肤、仿生机器人、人机交互系统等领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种感知存储集成式仿生触觉纤维及其制备方法，以提供一种触觉信息的感知和存储功能集成的传感器，且提升触觉感知系统中信息处理的速度和效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种感知存储集成式仿生触觉纤维，所述感知存储集成式仿生触觉纤维由内至外依次包括导电纤维基底层、包裹在所述导电纤维基底层外周的基底改性层、包裹在所述基底改性层外周的储存功能层、以及包裹在所述存储功能层外周的感知功能层，所述感知功能层外表面一端设置有导电纤维上电极，所述储存功能层采用的材料为忆阻功能材料，所述感知功能层采用的材料为压力敏感材料。
作为本发明进一步的方案：所述导电纤维基底层采用的材料包括柔性纤维和导电材料。
作为本发明进一步的方案：所述柔性纤维为棉纤维、毛纤维、蚕丝纤维、黏胶纤维、醋酸纤维、棉包氨纶纤维中的至少一种，所述导电材料为炭黑、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、钛纳米颗粒中任一种。
作为本发明进一步的方案：所述基底改性层的材料为铬络合物偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：所述储存功能层采用的材料为忆阻功能材料，所述忆阻功能材料为PEDOT:PSS、聚苯乙烯、聚对二甲苯、聚乙烯吡咯烷酮、全氟磺酸树脂、聚乙烯醇、聚环氧乙烷中的任一种。
作为本发明进一步的方案：所述感知功能层采用的材料包括基体材料和敏感材料。
作为本发明进一步的方案：所述基体材料为硅橡胶或聚二甲基硅氧烷，所述敏感材料为单相材料石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、金纳米线、银纳米线中的任一种，或以上单相材料与炭黑、聚苯胺纳米颗粒、聚吡咯纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒中的至少一种组成的多相导电材料。
作为本发明进一步的方案：所述导电纤维上电极层的材料与所述导电纤维基底层相同，或选用金线、银线。
作为本发明进一步的方案：所述金线、银线直径为20-500微米之间。
一种根据上述所述的感知存储集成式仿生触觉纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1：将导电材料溶于石脑油中，超声处理1～3h后搅拌处理0.5～2h，得到按质量百分比计导电材料浓度为0.1wt％～5wt％浓度的导电材料溶液，将柔性纤维基底置于上述导电材料溶液中浸渍搅拌5～60min，室温干燥，制得导电纤维基底层；
S2：将基底改性层材料加入到去离子水中，室温下充分搅拌溶解，制得按质量百分比计为基底改性层材料浓度为0.05wt％～5wt％浓度的基底改性层溶液，将导电纤维基底层置于上述基底改性层溶液中静置浸渍处理5～10min，室温干燥，制备得到基底改性层包裹的导电纤维基底层；
S3：将忆阻材料加入去离子水中，超声处理至材料均匀分散，得到按质量百分比计0.1wt％～5wt％浓度的忆阻材料水溶液，将基底改性层包裹的导电纤维基底浸渍于上述忆阻材料水溶液中5～30min，室温干燥后，重复上述浸渍操作若干次，制备出储存功能层；
S4：取单相敏感材料或按照1:0.3～4的比例取两相敏感材料，将所取敏感材料溶于10mL石脑油中，超声分散1～3h，磁力搅拌0.5～2h后，加入基体材料，接着进行磁力搅拌处理0.5～2h，得到按质量百分比计敏感材料浓度为5wt％～50wt％的敏感材料溶液，将包裹了储存功能层的导电纤维基底层静置于上述敏感材料溶液中浸渍处理5～10min，真空干燥，制得感知功能层；
S5：将步骤S1制备的导电纤维基底层或金线或银线缠绕于步骤S7包裹了感知功能层的导电纤维基底层上，制备导电纤维上电极，即制得本发明。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)基于人体触觉感受系统及其机制，将触觉信息感知与触觉信息存储两类功能分离的电子器件，也就是触觉传感器、忆阻器，以触觉感觉神经元结构为启发，采用集成式设计开发感知存储集成式仿生触觉纤维，分别模拟触觉小体完成对触觉信息的感知、模拟触觉神经元末端的突触完成对触觉信息的存储，使得单个器件同时具有触觉信息感知和存储的双重功能，不必再分开单独处理。本发明感知存储集成式仿生触觉纤维感知触觉信息时，感知功能层内部压力敏感材料导电网络变化引起相应电阻变化，此时得益于功能集成式设计，上述导电网络及其电阻变化实时传递至存储功能层，存储功能层中忆阻功能材料内部电流信号随之发生变化，即不同的触觉信息引起压力敏感材料电阻信号变化的同时也引发了忆阻功能材料电流信号变化，将触觉信息感知和存储两类分离、分步工作简化为感知和存储同步、并行工作，提升触觉感知系统中信息处理的速度和效率，发展高效感知、快速处理的仿生触觉感受系统，符合当前传感器及系统柔性化、集成化、智能化的发展趋势。
(2)本发明基于纤维基底，利用其轻便、柔性的特点，可用于便携式、可穿戴式电子器件的设计制造，融合触觉传感器和忆阻器各自具备的单一功能，有利于提升器件的集成度，在有限的设计制造尺度内丰富器件功能，拓展触觉感知器件和忆阻类器件的应用场景和范围。
(3)纤维基底目前已实现大规模设计制造，可与柔性电子领域集成化设计制备工艺如浸涂法、静电纺丝、喷印制造等工艺结合，用于纤维基电子器件如本发明中仿生触觉纤维的高通量、自动化设计制备，因此本发明的制备方法便于进行量产制备；本发明仿生触觉纤维具备触觉信息感知与存储的双重功能，有望应用于人机交互、智能机器人、义肢等领域，同时可进一步与逻辑、计算类器件集成，实现更多功能层面的拓展。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面示意图。
图中：1-导电纤维基底层、2-基底改性层、3-储存功能层、4-感知功能层、5-导电纤维上电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、2，本发明实施例中，一种感知存储集成式仿生触觉纤维，所述感知存储集成式仿生触觉纤维由内至外依次包括导电纤维基底层1、包裹在所述导电纤维基底层外周的基底改性层2、包裹在所述基底改性层外周的储存功能层3、以及包裹在所述存储功能层外周的感知功能层4，所述感知功能层外表面一端设置有导电纤维上电极5，所述储存功能层3采用的材料为忆阻功能材料，所述感知功能层4采用的材料为压力敏感材料。
具体的，所述导电纤维基底层1采用的材料包括柔性纤维和导电材料，所述柔性纤维为棉纤维、毛纤维、蚕丝纤维、黏胶纤维、醋酸纤维、棉包氨纶纤维中的至少一种，所述导电材料为炭黑、金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、钛纳米颗粒中任一种，所述导电纤维基底层1为圆柱体，其直径为0.1～3mm；所述导电纤维基底层1作为本发明传感器的下电极。
具体的，所述基底改性层2的材料为铬络合物偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的至少一种，硅烷偶联剂中优选3-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷以上任一种；所述基底改性层2可增加存储功能层3与所述导电纤维基底层1之间的有效接触面积，促进存储功能层内忆阻材料的包裹。
具体的，所述储存功能层3采用的材料为忆阻功能材料，所述忆阻功能材料为PEDOT:PSS(聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、聚苯乙烯、聚对二甲苯、聚乙烯吡咯烷酮、全氟磺酸树脂、聚乙烯醇、聚环氧乙烷中的任一种；所述储存功能层3用于存储触觉感知过程接收的压力信息。
具体的，所述感知功能层4采用的材料包括基体材料和敏感材料，所述基体材料为硅橡胶或聚二甲基硅氧烷，所述敏感材料为单相材料石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、金纳米线、银纳米线中的任一种，或以上单相材料与炭黑、聚苯胺纳米颗粒、聚吡咯纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒中的至少一种组成的多相导电材料；所述感知功能层4用于感知压力变化，当所述感知功能层4内压力敏感材料由于拉伸或压缩效应导致内部导电网络变化，从而引起电阻信号的不同变化。
具体的，所述导电纤维上电极5材料与所述导电纤维基底层相同，或选用金线、银线，所述金线、银线直径为20-500微米之间，所述导电纤维上电极5作为本发明传感器的上电极。
一种根据上述所述的感知存储集成式仿生触觉纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1：将导电材料溶于石脑油中，超声处理1～3h后搅拌处理0.5～2h，得到按质量百分比计导电材料浓度为0.1wt％～5wt％浓度的导电材料溶液，将柔性纤维基底置于上述导电材料溶液中浸渍搅拌5～60min，室温干燥，制得导电纤维基底层；
S2：将基底改性层材料加入到去离子水中，室温下充分搅拌溶解，制得按质量百分比计为基底改性层材料浓度为0.05wt％～5wt％浓度的基底改性层溶液，将导电纤维基底层置于上述基底改性层溶液中静置浸渍处理5～10min，室温干燥，制备得到基底改性层包裹的导电纤维基底层；
S3：将忆阻材料加入去离子水中，超声处理至材料均匀分散，得到按质量百分比计0.1wt％～5wt％浓度的忆阻材料水溶液，将基底改性层包裹的导电纤维基底浸渍于上述忆阻材料水溶液中5～30min，室温干燥后，重复上述浸渍操作若干次，制备出储存功能层；
S4：取单相敏感材料或按照1:0.3～4的比例取两相敏感材料，将所取敏感材料溶于10mL石脑油中，超声分散1～3h，磁力搅拌0.5～2h后，加入基体材料，接着进行磁力搅拌处理0.5～2h，得到按质量百分比计敏感材料浓度为5wt％～50wt％的敏感材料溶液，将包裹了储存功能层的导电纤维基底层静置于上述敏感材料溶液中浸渍处理5～10min，真空干燥，制得感知功能层；
S5：将步骤S1制备的导电纤维基底层或金线或银线缠绕于步骤S7包裹了感知功能层的导电纤维基底层上，制备导电纤维上电极，即制得本发明。
以下为具体实施例：
实施例1
S1：将0.1g炭黑溶于20mL石脑油中，超声处理1h后搅拌处理0.5h，得到导电材料溶液，将棉纤维材料的柔性纤维基底置于上述导电材料溶液中浸渍搅拌20min，室温干燥，制得导电纤维基底层；
S2：将0.05g铬络合物偶联剂溶于20mL去离子水中，室温下充分搅拌溶解，制得基底改性层溶液，将导电纤维基底层置于上述基底改性层溶液中静置浸渍处理5min，室温干燥，制备得到基底改性层包裹的导电纤维基底层；
S3：制备2wt％(质量分数)PEDOT:PSS水溶液，超声处理30min至材料均匀分散，得到忆阻材料水溶液，将基底改性层包裹的导电纤维基底浸渍于上述忆阻材料水溶液中10min，室温干燥后，重复上述浸渍操作5次，制备出储存功能层；
S4：将0.15g石墨烯溶于10mL石脑油中，超声分散1h，磁力搅拌0.5h后，加入1.8g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理2h，得到敏感材料溶液，将包裹了储存功能层的导电纤维基底层静置于上述敏感材料溶液中浸渍处理10min，真空干燥，制得感知功能层；
S5：将步骤S1制备的导电纤维基底层缠绕于步骤S7包裹了感知功能层的导电纤维基底层上，制备导电纤维上电极，即制得本发明。
实施例2
S1：将0.1g钛纳米颗粒溶于20mL石脑油中，超声处理1h后搅拌处理0.5h，得到导电材料溶液，将毛纤维材料的柔性纤维基底置于上述导电材料溶液中浸渍搅拌20min，室温干燥，制得导电纤维基底层；
S2：将0.05g硅烷偶联剂溶于20mL去离子水中，室温下充分搅拌溶解，制得基底改性层溶液，将导电纤维基底层置于上述基底改性层溶液中静置浸渍处理5min，室温干燥，制备得到基底改性层包裹的导电纤维基底层；
S3：制备2wt％(质量分数)聚乙烯吡咯烷酮水溶液，超声处理30min至材料均匀分散，得到忆阻材料水溶液，将基底改性层包裹的导电纤维基底浸渍于上述忆阻材料水溶液中10min，室温干燥后，重复上述浸渍操作5次，制备出储存功能层；
S4：将0.15g碳纳米管溶于10mL石脑油中，超声分散1h，磁力搅拌0.5h后，加入1.8g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理2h，得到敏感材料溶液，将包裹了储存功能层的导电纤维基底层静置于上述敏感材料溶液中浸渍处理10min，真空干燥，制得感知功能层；
S5：将步骤S1制备的导电纤维基底层缠绕于步骤S7包裹了感知功能层的导电纤维基底层上，制备导电纤维上电极，即制得本发明。
实施例3
S1：将0.1g金纳米颗粒溶于20mL石脑油中，超声处理1h后搅拌处理0.5h，得到导电材料溶液，将棉包氨纶纤维材料的柔性纤维基底置于上述导电材料溶液中浸渍搅拌20min，室温干燥，制得导电纤维基底层；
S2：将0.05g钛酸酯偶联剂溶于20mL去离子水中，室温下充分搅拌溶解，制得基底改性层溶液，将导电纤维基底层置于上述基底改性层溶液中静置浸渍处理5min，室温干燥，制备得到基底改性层包裹的导电纤维基底层；
S3：制备2wt％(质量分数)聚环氧乙烷水溶液，超声处理30min至材料均匀分散，得到忆阻材料水溶液，将基底改性层包裹的导电纤维基底浸渍于上述忆阻材料水溶液中10min，室温干燥后，重复上述浸渍操作5次，制备出储存功能层；
S4：0.1g金纳米线、0.05g聚苯胺纳米颗粒溶于10mL石脑油中，超声分散1.5h，磁力搅拌1h后，加入1.8g硅橡胶，接着进行磁力搅拌处理2h，得到敏感材料溶液，将包裹了储存功能层的导电纤维基底层静置于上述敏感材料溶液中浸渍处理10min，真空干燥，制得感知功能层；
S5：将直径100微米的金线缠绕于步骤S7包裹了感知功能层的导电纤维基底层上，制备导电纤维上电极，即制得本发明。
所述存储功能层3和感知功能层4实现了感知存储的功能集成，当该仿生触觉纤维感受不同触觉信息时，感知功能层4内压力敏感材料由于不同拉伸或压缩效应导致内部导电网络变化，从而引起电阻信号的不同变化，此时测量存储功能层忆阻功能材料引起的信号变化，即导电纤维基底层1和导电纤维上电极层5之间的信号变化，可实现对不同触觉信息的记录；分别模拟了人体的触觉小体对触觉信息的感知、模拟触觉神经元末端的突触对触觉信息的存储，因此本发明具有触觉信息感知和存储的双重功能。
本发明所述存储功能层3和感知功能层4实现了感知存储的功能集成，所述感知存储集成式仿生触觉纤维感知不同触觉信息时，感知功能层4内压力敏感材料由于不同拉伸或压缩效应导致内部导电网络变化，从而引起电阻信号的不同变化，此时测量存储功能层忆阻功能材料引起的信号变化，即导电纤维基底层1和导电纤维上电极层5之间的信号变化，可实现对不同触觉信息的记录；分别模拟了人体的触觉小体对触觉信息的感知、模拟触觉神经元末端的突触对触觉信息的存储，因此本发明具有触觉信息感知和存储的双重功能；且本发明利用柔性纤维衬底的轻柔、便携的特点，可实现纤维电子器件的高通量设计制造，在可穿戴电子、柔性电子皮肤、智能机器人领域具有广阔的应用前景。与具备单一触觉信息感知功能的触觉传感器和单一存储能力的忆阻器件相比，本发明所述仿生触觉纤维通过对人体触感觉神经元的结构模拟，结合器件层面的叠加和集成式设计，使其具备对触觉信息的感知和存储的双重功能。同时可进一步与逻辑、计算类器件集成，构造功能更丰富、系统更完善的新型器件系统，发展新一代集成式、芯片化、智能化电子器件及感知系统。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。