一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器及其制备方法与应用

本发明属于摩擦纳米发电机与传感器，具体涉及一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着物联网、智能机器人、人机交互等技术的发展，触觉感知传感器作为用于触觉感知的重要器件也受到了越来越广泛的关注。目前主流的触觉感知传感器主要包括压电式和压阻式。压阻式传感器是产生电阻变化信号，需要消耗额外的电能；压电式传感器产生的电压偏低，后期信号的处理非常复杂。近年来，基于摩擦起电效应和静电感应相结合的摩擦纳米发电机，因为其自供能、适应性强且摩擦电产生的电压高等优势而备受青睐。

2、目前，许多性能优异的柔性触觉感知传感器被开发出来，该类传感器采用柔性基底以及新型的纳米材料具有灵敏度高、响应迅速等特点。但是，仍存在触觉感知传感器稳定性差、漂移严重、制造过程复杂、成本高等问题。这导致触觉感知传感器在实际应用中面临巨大的挑战。

3、基于摩擦纳米发电机的柔性触觉感知传感器在可穿戴设备、人机交互、机器人触觉等领域都有着广泛的应用潜力。例如，柔性触觉感知传感器贴合于人体手腕或衣物上，并通过物联网和无线传输技术对触摸信号进行采集与处理。另外，将柔性触觉感知传感器贴附在机器人手指并与人工智能算法相结合，为机器人赋予触觉感知的能力。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器及其制备方法与应用，实现了智能家居系统的触摸检测同时还实现了与机器人机械手、机器学习算法结合来实现对不同物体的实时识别。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器，由硅胶/聚乙烯醇层、硅胶/石墨相氮化碳层和mxene棉纺电极组成，以硅胶/聚乙烯醇层为摩擦发电层，以硅胶/石墨相氮化碳层作为中间层，以mxene棉纺电极作为底层电极。

3、进一步的，所述传感器的传感原理为：

4、所述硅胶基柔性触觉感知传感器的电信号产生是基于接触带电和静电感应的耦合效应；当物体与传感器接触时，基于二者不同的电子亲和力会使正负电荷分别积累在二者表面上；当物体与传感器分离时，因为相反电荷彼此分离，两个电极之间形成了电位差，从而产生电信号；

5、硅胶/g-c3n4层的存在使得电荷排斥被削弱，并且为新的摩擦电荷的注入提供更多的载体，硅胶/pva层产生摩擦电荷，硅胶/g-c3n4层主要起到电荷转移和削弱电荷排斥的作用，mxene棉纺电极保持感应电荷，多层协同工作获得最大电荷密度，最终提高电输出性能。

6、基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器的制备方法，制备步骤包括：

7、(1)mxene溶液的制备

8、将氟化锂添加到盐酸溶液中并搅拌，并将钛碳化铝粉末缓慢添加到上述溶液中，在35℃下连续搅拌24小时以使反应完成，在离心机的作用下将所得溶液用去离子水多次洗涤，直到上清液的ph值大于6，然后将溶液超声处理60分钟并以5000转/分钟进行离心，最后收集深绿色上清液作为mxene溶液备用；

9、(2)石墨相氮化碳粉末的制备

10、将三聚氰胺和脲混合并在石英管炉中氩气气氛下以每分钟3℃的加热速率加热至450℃，保持450℃高温反应4小时后，将合成的粉末研磨并用去离子水冲洗，然后将其过滤并在研钵中研磨，以获得相对纯净的g-c3n4，最后将产物在真空干燥成粉末备用；

11、(3)mxene棉纺电极的制备

12、将棉纱在99℃水浴下用1wt％naoh处理30分钟并干燥，然后将棉纱浸于mxene溶液中10分钟使其充分浸泡，然后将其放于35℃真空干燥箱中干燥10小时，得到mxene棉纺电极；

13、(4)硅胶/g-c3n4层的制备

14、通过超声处理，将g-c3n4均匀分散在无水乙醇中，并在磁力搅拌下将其加入硅胶基体中，然后加热使均匀混合物中的乙醇完全蒸发，将硅胶固化剂加入到制备好的混合物中并将其旋涂在柔性mxene棉纺电极表面，最后置于25℃真空中干燥4小时得到硅胶/g-c3n4层；

15、(5)硅胶/聚乙烯醇层的制备

16、通过磁力搅拌和超声处理将聚乙烯醇粉末均匀分散在硅胶基体中，将硅胶固化剂加入到混合物中并将其旋涂在硅胶/g-c3n4层表面，最后置于25℃真空中干燥4小时得到硅胶/pva层；

17、(6)硅胶基柔性触觉感知传感器的制备

18、通过旋涂法将硅胶/g-c3n4层和硅胶/pva层自下而上叠加在mxene棉纺电极上制作得到硅胶基柔性触觉感知传感器。

19、进一步的，

20、所述(1)中氟化锂和钛碳化铝的质量比为1:1，所述盐酸溶液浓度为9m。

21、进一步的，

22、所述(2)中三聚氰胺和脲的质量比为1:1。

23、进一步的，

24、所述(4)中硅胶基体与固化剂的质量比为1:1，所述g-c3n4的质量分数比为1.6wt％，所述硅胶/g-c3n4层厚度为200-300μm。

25、进一步的，

26、所述(5)中硅胶基体与固化剂的质量比为1:1，所述pva的质量分数比为10wt％，所述硅胶/pva层厚度为200-300μm。

27、一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器的应用，

28、所述硅胶基柔性触觉感知传感器被应用于智能家居的远程控制开关来控制不同的电子电气设备，同时可以与物联网结合用于触摸检测；

29、或，所述硅胶基柔性触觉感知传感器用于触觉感知检测系统，所述触觉感知检测系统用于装配出具感知传感器的机械手触摸物体时产生的不同电信号并能做到物体分类识别。

30、进一步的，所述触觉感知检测系统包括硅胶基柔性触觉感知传感器、信号处理模块、蓝牙数据传输模块、单片机数据采集模块、android app和根据具体输入特征搭建的cnn-gru机器学习分类网络。

31、进一步的，

32、所述智能家居的远程控制开关是将硅胶基柔性触觉感知传感器的电压接入信号处理模块，处理完成后通过wifi模块可以实现在物联网云端的实时监测并可以通过单片机对相应的继电器进行控制以实现对智能家居的远程控制与监测；

33、或，所述触觉感知检测系统是将硅胶基柔性触觉感知传感器装配在机械手上，并将检测触摸不同球类时产生的电信号接入信号处理模块，处理完成后接入单片机adc数据采集口并通过蓝牙模块可实现在android app实时监测信号波形；同时通过搭建的cnn-gru机器学习分类模型对数据进行识别与分类，最终实现对四种子类的识别，识别精度为96.8％。

34、本发明一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器及其制备方法与应用的有益之处：

35、(1)本发明基于摩擦纳米发电机接触起电，摩擦纳米发电机本身具有自供能，低成本，高灵敏度的优点。同时引起接触分离的原理是利用了摩擦层与物体间微小的接触压差从而产生信号。因此，本发明中硅胶基柔性触觉感知传感器对于外界变化具有领命的感知，能够与物体直接接触产生信号，极大地提高了感知能力，并且具有体积小，成本低且无需外接供电设备的优点。

36、(2)本发明中硅胶基柔性触觉感知传感器的形状和大小不会影响其感知过程，因此，硅胶基柔性触觉感知传感器的形状和大小都可改变，因此可以实现多个传感器集成在一起，可以实现放于不同的感应场景。

37、(3)本发明通过硅胶基柔性触觉感知传感器检测触摸不同球类时的电信号，进而进行球类识别，并通过机器学习算法来预测检测结果，显示出其在机器人触觉感知、智能辅助分拣系统、人机交互等方面的应用潜力。