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Sep 03, 2023

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npj Flexible Elektronik

npj Flexible Electronics Band 6, Artikelnummer: 54 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Neue taktile Sensorgeräte ahmen biologische Funktionen der menschlichen Mechanorezeption nach. Durch die Einführung der Funktion der optischen Transparenz können taktile und visuelle Intelligenz in einem einzigen System kombiniert werden. Dennoch ist es schwierig, ein ultrahohes Maß an optischer Transparenz und Geräteempfindlichkeit in einer einzigen Struktur zu realisieren, da die weit verbreiteten Methoden zur Empfindlichkeitsverbesserung, wie z. B. die Erhöhung der Grenzflächenrauheit, die Transparenz weiter verringern können. Durch die Verwendung eines transparenten ionischen Materials mit abstimmbaren Oberflächentopologien und die Einführung einer Strategie zur Anpassung des Brechungsindex haben wir ein transparentes iontronisches Sensorgerät (TIS) vorgeschlagen, das auf dem iontronischen Sensormechanismus basiert und gleichzeitig eine kombinierte hohe Geräteempfindlichkeit (83,9 kPa−) bietet 1) mit ultrahoher optischer Transparenz (96,9 %), dem höchsten in der Literatur angegebenen Wert. Aufgrund ihrer umfassenden Leistung in den Bereichen Sensorik und optische Eigenschaften bergen die TIS-Geräte ein enormes Potenzial für die Mensch-Maschine-Schnittstellen für industrielle und medizinische Anwendungen.

Die Tastempfindung, die eine wichtige Wahrnehmungs- und Informationssammelfunktion für den Menschen darstellt, war in den letzten Jahren ein aktives Forschungs- und Entwicklungsthema1,2. Um die gewünschten Berührungsinformationen zu erhalten, wurde häufig nach flexiblen taktilen Sensortechnologien gesucht, um diesen Analog-Digital-Umwandlungsprozess durchzuführen, der die biologischen Funktionen der taktilen Wahrnehmung simuliert3. Als wichtiges Leistungsmerkmal spielt die Empfindlichkeit des Geräts eine wichtige Rolle bei der Gestaltung des taktilen Sensors und bewertet die Erfassungskapazität bei minimalen auflösbaren Druckschwankungen3. Dank der hohen Empfindlichkeit des Geräts hat der taktile Sensor spezifische Anwendungen ermöglicht, beispielsweise die Erkennung von Berührungen und Gesten sowie die Erkennung physiologischer Signale4. Der jüngste technologische Trend zur Sensorfusion und Multimodalitätserkennung bietet zusätzliche Anreize für die Aktivierung spezieller Funktionen in den bestehenden Systemen. Zu diesem Zweck könnte die Integration optischer Eigenschaften in die taktilen Sensoren zu mehr Funktionalitäten und Möglichkeiten sowohl in taktilen als auch in visuellen Intelligenzanwendungen führen5, z. B. medizinische Bildgebung, Gesundheitsüberwachung sowie elektronische Skins6. Insbesondere könnte das taktil aktivierte Endoskop mit transparenter Kraftrückkopplung auf seiner Objektivlinse potenziellen physischen Kontakt mit inneren Geweben und Organen erkennen und melden und so als wünschenswertes Sicherheitsmerkmal oder Navigationsleitsignal für klinische Zwecke dienen diagnostische und chirurgische Eingriffe der Katheterisierung7. Darüber hinaus können die hochtransparenten und empfindlichen taktilen Sensoren in tragbare Elektronik integriert werden, von der aus mehrere physiologische Signale, wie Wellenformen des arteriellen Drucks, Herzfrequenzen, Atemfrequenzen und Blutdruck, kontinuierlich erfasst werden können, während ihre optischen Werte erhalten bleiben Unmerklichkeit8. Darüber hinaus könnte die transparente Mensch-Maschine-Schnittstelle ein besonderes Benutzererlebnis bieten, indem sie die 3D-Krafterfassungskapazität in einen herkömmlichen Touchscreen einführt und so die Erkennung empfindlicher Objekte und taktiles Feedback für Augmented Reality- und Gaming-Anwendungen ermöglicht9. Allerdings bleibt es für aktuelle transparente, flexible taktile Sensoren eine Herausforderung, sowohl ein Höchstmaß an optischer Transparenz als auch eine Geräteempfindlichkeit in einem einzigen Gerät zu erreichen.

Technisch gesehen spiegelt die Lichtdurchlässigkeit den Gesamtgrad der Lichtabsorption und -streuung im Medium sowie die Lichtreflexion an der Grenzfläche wider10,11. Um die Lichtdurchlässigkeit des Tastsensors zu verbessern, konzentriert sich die aktuelle Forschung hauptsächlich auf die Modifizierung der intrinsischen optischen Transparenz von Baumaterialien. Obwohl der optische Verlust aufgrund von Absorption und Streuung durch sorgfältige Auswahl und Modifizierung des Materials selbst mit der höchsten berichteten Lichtdurchlässigkeit von 99,94 %12 minimiert werden kann, ist es immer noch schwierig, die Gesamtdurchlässigkeit des Geräts auf einem hohen Niveau zu erreichen (z. B. größer als). 95 %), aufgrund der Lichtreflexionen an mehreren Materialschnittstellen innerhalb der Sensorstruktur. Insbesondere wird der optische Verlust an der Grenzfläche erheblich schwerwiegender, wenn eine grobe Grenzflächentopologie auftritt. Daher erfordert eine weitere Verbesserung der Gerätetransparenz alternative Ansätze zur Bewältigung des durch solche Grenzflächenlichtreflexionen verursachten optischen Verlusts. Damit die taktilen Sensorgeräte die gewünschte hohe Empfindlichkeit erreichen, ist es entscheidend, eine Schnittstelle mit einer großen Oberfläche für die Erkennung zu konstruieren13. Daher wurden mehrere interessante Strategien weiter untersucht, wie beispielsweise Pyramiden-, Mikronadel-, Nanofaser- und bioinspirierte Strukturen, um eine „grobe“ Konfiguration der Funktionsschicht oder der Elektrode zu erzeugen14. Solche Grenzflächentopologien können zu einer verbesserten Geräteempfindlichkeit führen, da sie bei gleichen äußeren Belastungen ein deutlicheres Maß an Verformung oder einen größeren Oberflächenkontaktbereich erzeugen15. Leider haben diese Modifikationen möglicherweise einen negativen Einfluss auf die Gesamttransparenz des Geräts16, die hauptsächlich anhand der Lichtdurchlässigkeit5 bewertet wird. Daher zeigte die optische Transparenz der taktilen Sensoren, insbesondere der kapazitiven Sensoren, oft einen umgekehrten Trend in Bezug auf die Geräteempfindlichkeit17.

Die kürzliche Einführung des flexiblen iontronischen Sensormechanismus (FITS) stellt einen Ansatz zur Lösung des bestehenden Problems der Verbesserung der Transparenz taktiler Sensoren dar und bietet gleichzeitig eine hochempfindliche Druckerkennung, die von der natürlichen Schnittstelle ionisch-elektronischer Materialien profitiert. Seit ihrer Einführung hat die iontronische Sensorik aufgrund ihres charakteristischen Vorteils der optischen Transparenz großes Potenzial gezeigt, da alle Baumaterialien intrinsisch transparent sein können, insbesondere die ionisch funktionellen Materialien. Mittlerweile kann es über eine optisch glatte Sensorschnittstelle verfügen18. Pan und seine Kollegen haben den ersten flexiblen iontronischen Drucksensor mit einer optisch klaren Struktur gebaut, der eine planare transparente Ionenbeschichtung enthält, die die untere Elektrode bedeckt und durch eine luftgefüllte Abstandsschicht von der oberen Elektrode getrennt ist. Allerdings weist der ursprüngliche iontronische Sensor aufgrund des optischen Verlusts an der Luft-Feststoff-Grenzfläche nur eine Lichtdurchlässigkeit von 77 % auf19. Kürzlich haben Guo und seine Kollegen über ein hochtransparentes iontronisches Sensormaterial (TIS) mit einer Lichtdurchlässigkeit von 94,8 % berichtet, bei dem eine poröse Membran aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) mit einer ionischen Flüssigkeit mit angepasstem Brechungsindex (RI) gefüllt wurde5 . Allerdings ist die Gesamtlichtdurchlässigkeit des Geräts aufgrund des optischen Verlusts zwischen den ionischen Substanzen und den Sensorelektroden in dieser Architektur nur auf 90,4 % begrenzt. Erwartungsgemäß verringert die Verbesserung der optischen Transparenz der porösen PVDF-Membran die Grobheit an der Grenzfläche, was zu einer unerwünscht niedrigen Empfindlichkeit von etwa 1,2 kPa−1 im Vergleich zu bestehenden iontronischen Sensoren führt. Im Vergleich dazu haben die modernen Touchpanel-Geräte bereits eine Lichtdurchlässigkeit von mehr als 95 % auf dem Bildschirm erreicht, da die aktuellen Anzeigeanwendungen eine möglichst hohe optische Durchlässigkeit des Geräts für kritische Anzeigen erfordern Helligkeit und Klarheit des Bildschirms20.

In dieser Arbeit haben wir eine spezifische Architektur des TIS-Geräts vorgeschlagen, die gleichzeitig eine hohe Geräteempfindlichkeit und eine feine optische Transparenz ermöglicht. Durch die Implementierung einer zweischichtigen Sensorarchitektur (wie in Abb. 1a gezeigt) enthält das TIS-Gerät einen transparenten leitfähigen Film aus Silbernanodrähten (AgNw), der mit einer Anordnung aus mikroskopisch kleinen halbkugelförmigen transparenten ionischen Elastomeren (Abb. 1b) beschichtet ist, die als bezeichnet werden Ionode; und eine makellose AgNw-Oberfläche als Gegenelektrode. Zwischen der Ionode und der Elektrode wurde eine nichtionische RI-passende Flüssigkeit eingefüllt, die aufgrund des großen Unterschieds in ihrer Hydrophilie stabil mit dem Gel koexistieren kann, um alle reflektierenden Luft-Feststoff-Grenzflächen in der Sensorstruktur zu entfernen. Bemerkenswert ist, dass das TIS-Gerät unabhängig ein hervorragendes Maß an optischer Transparenz liefern kann, ohne seine Empfindlichkeit zu verändern. Da die Baumaterialien alle von Natur aus eine hohe Transparenz aufweisen, einschließlich des ionischen Sensorgels, der transparenten Elektroden sowie der RI-passenden Flüssigkeit, die im Inneren eine extrem geringe Lichtabsorption und -streuung aufweisen, was zu einer hohen Lichtdurchlässigkeit auf Materialebene führt. Noch wichtiger ist, dass die in die Sensorschicht eingebrachte RI-Anpassungsflüssigkeit die Reflexionen an den Grenzflächen erheblich reduzieren würde, was zu einer weiteren Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit des Sensors unter der mehrschichtigen Gerätearchitektur führen würde. Dadurch wurde eine optische Gesamtdurchlässigkeit von 96,9 % des gesamten Tastsensors erreicht, der unseres Wissens nach der höchste in der Literatur angegebene Wert (in Abb. 1c). Andererseits wurde eine mathematische theoretische Gleichung abgeleitet, um die mechanische Reaktion des TIS-Geräts basierend auf der elastischen Verformung des mikrohalbkugelförmigen Arrays quantitativ zu beschreiben. Daher kann die Empfindlichkeit des Geräts bei optimalem Design der mikrohemisphärischen Mikrostrukturen und der intrinsisch hohen Empfindlichkeit des iontronischen Mechanismus 83,9 kPa−1 erreichen, drei Größenordnungen höher als die der entsprechenden kapazitiven Geräte1,5 ,17,21. Wir haben von seiner umfassenden Leistung in Bezug auf Sensorik und optische Eigenschaften profitiert und erstmals ein TIS-integriertes Endoskop für visuelle und taktile Diagnosefunktionen vorgestellt, bei dem die transparente taktile Sensorik eine quantitative Beurteilung der Gewebesteifheit vor dem optischen Element bei der Durchführung von Routinearbeiten ermöglicht endoskopische Bildgebung. Darüber hinaus haben wir den unsichtbaren taktilen Empfang in ein tragbares Format implementiert, mit dem wichtige hämodynamische Parameter in Echtzeit und unmerklich erfasst und analysiert werden können. Darüber hinaus haben wir eine transparente taktile Bildgebung auf einem optischen Display mit hoher räumlicher Auflösung für die neu entstehende Mensch-Maschine-Schnittstelle erreicht. Infolgedessen bergen die TIS-Geräte ein enormes Potenzial für die sich schnell entwickelnden Mensch-Maschine-Schnittstellen für industrielle und medizinische Anwendungen, insbesondere dort, wo sowohl eine hohe optische Transparenz als auch eine Geräteempfindlichkeit erforderlich sind.

a Die Strukturdarstellung des TIS-Geräts, b das REM-Bild des Ionengels mit eingebauter mikrohemisphärischer Anordnung, ca die vom TIS-Gerät bedeckte Blüte, die eine extrem hohe Lichtdurchlässigkeit von 96,9 % darstellt, d der mechanische Reaktionsmechanismus von Das TIS-Gerät, e die Lichtwege der TIS-Geräte ohne und mit RI-Paarflüssigkeit gefüllt.

Um einen ultrahochtransparenten taktilen Sensor zu erhalten, wurden optische und sensorische Analysen durchgeführt, um die kritischen Parameter im Zusammenhang mit der Transparenz und Empfindlichkeit des TIS-Geräts zu bestimmen. Grundsätzlich kann die Gerätetransparenz quantitativ anhand der Lichtdurchlässigkeit bewertet werden, definiert als das Verhältnis zwischen den Intensitäten des einfallenden und des durchgelassenen Lichts10, das insbesondere durch die Reflexion an der Grenzfläche sowie die Absorption und Streuung innerhalb des Mediums11 beeinflusst wird. Die aktuelle Optimierung der Transparenz würde sich in erster Linie auf die Auswahl der Medien mit intrinsischen Eigenschaften geringer Absorption und Streuung konzentrieren. Durch die Untersuchungen zu den Zusammensetzungen und Strukturen für die Materialtransparenz haben die hochmodernen Medien wie AgNw, ionisches Gel, Graphen, PDMS usw. eine äußerst geringe Adsorption und Streuung in den transparenten Sensorstrukturen gezeigt. Bemerkenswert ist, dass der Transmissionsverlust durch Adsorption und Streuung des Mediums nur 0,1 % betragen kann22, was insgesamt nahezu vernachlässigbar ist. In dieser Studie beschränken wir daher unsere Auswahl an Strukturmaterialien auf diese etablierten Kategorien.

Neben den Einflüssen der Baustoffe tragen auch die Grenzflächen zwischen verschiedenen Schichten maßgeblich zum Transmissionsverlust durch Reflexion bei. Wichtig ist, dass die Grenzfläche zwischen der verformbaren Sensorschicht und dem Luftspalt in der Sensorarchitektur zu einer erheblichen Lichtreflexion führen kann, selbst auf einer ebenen Oberfläche, und dieser Effekt wird durch die Unregelmäßigkeiten an der Grenzfläche noch verstärkt5. Tatsächlich hat der durch Lichtreflexion an der Grenzfläche verursachte Transmissionsverlust eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Gerätetransparenz gespielt, was bei den vorhandenen transparenten Sensoren aufgrund ihrer strukturellen Einschränkungen nur begrenzt erforscht wurde23. Insbesondere kann der optische Verlust durch die Reflexion an den Grenzflächen mithilfe des Reflexionsvermögens R beschrieben werden, das als Intensitätsverhältnis zwischen reflektiertem und einfallendem Licht definiert ist und quantitativ ausgedrückt werden kann als:

wobei n1 und n2 die RIs der Medien entlang der Schnittstelle darstellen10. Diese Gleichung ist gültig, wenn der Einfallswinkel Null ist, und sie kann in einem nicht normalen Einfallsfall in ein komplizierteres Format weiterentwickelt werden (siehe Hintergrundinformationen). Nach Gl. 1 hängt das Reflexionsvermögen stark von den RIs der Materialien entlang der Grenzfläche ab, und ein geringerer Unterschied zwischen den RIs benachbarter Materialien würde zu einem geringeren Reflexionsvermögen an der Grenzfläche führen. Darüber hinaus kann sich das Reflexionsvermögen einem Minimum (nahe Null) nähern, wenn die RIs der Materialien miteinander übereinstimmen. Dies könnte auch dann der Fall sein, wenn der Lichteinfallswinkel nicht 0° beträgt. In einer solchen Situation kann der Großteil des Lichts in jedem Einfallswinkel durch die Grenzfläche dringen, ohne dass es zu einem erkennbaren Transmissionsverlust kommt, selbst wenn die Grenzfläche rau ist, was die Änderungen in der Oberflächentopologie impliziert, die die Anpassung an die Oberflächenmorphologie der druckempfindlichen Grenzfläche mit sich bringen würde keinen Einfluss mehr auf die optische Transparenz des Geräts. In der vorgeschlagenen TIS-Architektur haben wir alle Baumaterialien mit hoher Transparenz und abgestimmtem RI verwendet. Bemerkenswerterweise haben wir die RI-passende Flüssigkeit eingeführt, um den Luftspalt zwischen der Elektrode und der Ionode zu füllen, was zu einer erheblichen Eliminierung der optischen Reflexion an den Grenzflächen Ionode/Luft und Luft/Elektrode führt. Daher kann es eine höhere optische Transparenz bieten als die vorhandenen Gegenstücke auf Geräteebene.

Um die Empfindlichkeit des TIS-Geräts zu optimieren, wurde ein mechanisches Modell erstellt, das auf dem Grundprinzip des iontronischen Mechanismus basiert, um die Materialeigenschaften und Strukturparameter des TIS-Geräts zu bestimmen. Es ist erwähnenswert, dass die halbkugelförmigen Mikrostrukturen aus folgenden Gründen zur Festlegung der mechanischen Sensortopologien ausgewählt wurden: Erstens wurde die Formverformung der halbkugelförmigen Elastomerstruktur gut untersucht, die theoretisch im klassischen mechanischen Modell definiert werden kann24. Zweitens können die geometrischen Variablen der Halbkugel leicht angepasst werden, um die gewünschten Erfassungseigenschaften wie Empfindlichkeit und Auflösung zu erfüllen13. Darüber hinaus zeigt die halbkugelförmige Mikrostruktur eine überlegene Stabilität und Zuverlässigkeit gegenüber alternativen Mikrostrukturen mit scharfen Ecken, wie z. B. Pyramiden-Mikrostrukturen bei wiederholter mechanischer Verformung, da ihre abgerundete Form sowohl die übermäßige Spannungskonzentration als auch die induzierte plastische Verformung lindert13. Wenn der äußere Druck P auf die Elektrodenschicht ausgeübt wird, führt dies zu einer elastischen Druckverformung der ionischen Mikrostrukturen der Ionode. Infolgedessen vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Ionode entsprechend, zusammen mit der Zunahme der entsprechenden EDL-Kapazität, wie in der iontronischen Sensortheorie erwartet19,25 (Abb. 1d). Insbesondere die Empfindlichkeit S des iontronischen Sensors innerhalb einer kleinen Verformungsgrenze kann mit der folgenden Gleichung beschrieben werden, die aus dem klassischen Hertz-Kontaktmodell24,26 abgeleitet ist:

Wobei C0 für die anfängliche iontronische kapazitive Auslesung ohne Last steht und UAC die Einheitsflächenkapazität zwischen dem Ionengel und den Elektrodenschichten darstellt. ρ ist der Krümmungsradius der Halbkugeln, d bezieht sich auf die Dichte der Halbkugelanordnung und A bezeichnet den Erfassungsbereich. E und k geben den Elastizitätsmodul bzw. die Passionsverhältnis-bezogene Konstante des elastischen Gelmaterials an. Die detaillierte Herleitung von Gl. 2 ist in den Begleitinformationen dargestellt. Wie zu sehen ist, korreliert die Empfindlichkeit des Geräts positiv mit der Grenzflächen-UAC, der Erfassungsfläche, dem Krümmungsradius und der Dichte der hemisphärischen Anordnung, wohingegen der Young-Modul des Gels und die Anfangskapazität umgekehrte Beziehungen dazu aufweisen Empfindlichkeit. Kurz gesagt: Für die Empfindlichkeitsoptimierung könnte man sich auf die Gestaltung der funktionellen Material- und Grenzflächeneigenschaften (E und UAC) sowie der geometrischen Parameter (ρ und d) des halbkugelförmigen Arrays zur Empfindlichkeitsverbesserung verlassen, während sich die Transparenzverbesserung auf beides konzentriert die Eigendurchlässigkeit der Baustoffe und die Minimierung der Lichtreflexion an Grenzflächen.

Gemäß dem Funktionsprinzip müssen für das funktionelle Ionengelmaterial mehrere Überlegungen berücksichtigt werden, darunter intrinsische Transparenz, Elastizitätsmodul, Ionenkonzentrationen sowie Mikroverarbeitbarkeit. Zu diesem Zweck haben wir zum Aufbau der Sensoreinheit einen photovernetzbaren Polymergelansatz mit aktiven Ionenanteilen gewählt, da dieser die kombinierten Anforderungen an hohe optische Klarheit, hohe Elastizität, einstellbare Ionenanteile und direkte Photohärtbarkeit der Ionen erfüllt Gelmaterial3. Das ionische Gel besteht aus der hydrophilen ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtriflat (EMIMOTF), die gleichmäßig in einer Polymermatrix aus Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) und Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) dispergiert ist, wie in Abb. 2a. EMIMOTF, eine ionische Flüssigkeit bei Raumtemperatur mit einer hohen Leitfähigkeit von 8,858 mS/cm27 und einer hohen Kompatibilität mit Acrylatmonomeren, bietet reichlich mobile Kationen und Anionen für die iontronische Sensorik. Noch wichtiger ist, dass EMIMOTF im Vergleich zu Wasser28 ein viel breiteres elektrochemisches Fenster von 3,9 V bietet, wodurch die elektrochemische Reaktion von AgNw unter einem elektrischen Feld verhindert werden kann, was die Langzeitstabilität und Wiederholbarkeit des TIS-Geräts erhöht. PEGDA und HEMA können durch UV-Polymerisation von Acrylatgruppen ein 3D-Molekülnetzwerk bilden und das flüssige EMIMOFT in ein ionisches Gel mit hoher Elastizität und Verformbarkeit verwandeln (Abb. 2b). Das Hauptauswahlkriterium von HEMA ist die Hydroxylgruppe mit hoher Polarität, die die Kompatibilität zwischen der Polymermatrix und EMIMOTF29 verbessern kann. Währenddessen wird PEGDA als hydrophiler Vernetzer verwendet, um die Elastizität des ionischen Gels zu steuern. Eine höhere Konzentration an PEGDA, das zwei Acrylatgruppen enthält, führt zu einer höheren Vernetzungsdichte des ionischen Gels. Die Reaktionsgleichung des ionischen Gels ist in der ergänzenden Abbildung 3 dargestellt. In diesem Abschnitt werden Einflüsse auf die relevanten elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften auf Materialebene untersucht und diskutiert, insbesondere auf die Zusammensetzung des ionischen Gels, um auch die Sensorreaktionen zu optimieren sowie die intrinsische Lichtdurchlässigkeit aller Baumaterialien, um die hohe optische Transparenz der TIS-Geräte zu gewährleisten.

a Die molekulare Struktur des ionischen Gels, b die Fotos des ionischen Gels, die seine hohe Elastizität zeigen, c die UACs der ionischen Gele mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, d der Young-Modul der ionischen Gele mit unterschiedlichen Vernetzungsdichten, e der Young-Modul von die ionischen Gele mit unterschiedlichen ionischen Flüssigkeitskonzentrationen. Die eingefügten Verhältnisse in c–e sind das Gewichtsverhältnis zwischen HEMA, PEGDA und [EMIm]OTf. f Die sichtbaren Spektren aller Baumaterialien der TIS-Geräte, einschließlich des ionischen Gels, des leitfähigen AgNw-Films und der RI-passenden Flüssigkeit.

Wie in Gl. Wie aus 2 hervorgeht, korreliert die Empfindlichkeit des TIS-Geräts linear mit der UAC der Materialschnittstelle, die ziemlich kompliziert sein und von den Materialeigenschaften wie Ionenarten und -konzentrationen, Elektrodenmaterialien, den Umgebungsparametern, einschließlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit usw., beeinflusst werden kann sogar die Messtechniken wie Antriebsfrequenz und -potential usw.3,30,31. In dieser Arbeit besteht der Hauptansatz zur Verbesserung der Grenzflächen-UAC darin, die Ionenkonzentration im ausgewählten Verbundgelmaterial unter einer kontrollierten Umgebung und etablierten Messbedingungen anzupassen. Abbildung 2c zeigt die Grenzflächen-UAC-Messungen unter Verwendung von Ionengelen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen von 20 Hz bis 200 kHz bei einer Spannung von 1 V, einem weit verbreiteten Standard für die Messung von UAC32. Es wird erwartet, dass die Grenzflächen-UAC des Ionengels mit zunehmender Antriebsfrequenz für die begrenzte Ionenrelaxationszeit allmählich abnimmt, während eine höhere Antriebsfrequenz zu einer höheren Abtastrate für die Kapazitätsdetektion führt, was für die Antwortfrequenz von wichtig ist das Gerät25,30. Um das Gleichgewicht zwischen UAC und Abtastrate zu erreichen, werden wir die elektrische Anregung und Messung zum direkten Vergleich bei 1 kHz und 1 V belassen. Noch wichtiger ist, dass durch die Berücksichtigung der Ionenkonzentration in der Gelmatrix als Variable eine höhere Konzentration an Ionengehalten zu einer höheren UAC an der Grenzfläche führen würde. Insbesondere die Grenzflächen-UAC mit den Materialgewichtsverhältnissen zwischen HEMA: PEGDA: EMIMOTF von 9:1:5, 9:1:10 bis 9:1:20 (die entsprechenden Konzentrationen ionischer Flüssigkeiten von 33,3 %, 50 % bis 66,7). %) werden bei 112,3 nF, 766,9 nF bzw. 985,4 nF gemessen. Eine weitere Erhöhung des Ionengehalts der Gelmatrix würde dazu führen, dass ionische Flüssigkeit auch nach dem Aushärten austritt, was zu Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsproblemen für das Sensormaterial führen würde. Ein weiteres Ergebnis ist, dass bei relativ stabiler Ionenkonzentration das Vernetzungsverhältnis nur einen sehr geringen Einfluss auf die Grenzflächen-UAC hat. Beispielsweise führt eine drastische Änderung des Gewichtsverhältnisses zwischen HEMA und PEGDA von 0:1 auf 49:1 (die entsprechenden Vernetzungsverhältnisse von 100–2 %) nur zu einem Anstieg der UAC an der Grenzfläche um etwa 25 %.

Eine weitere wichtige Materialeigenschaft im Zusammenhang mit der Sensorleistung des TIS-Geräts ist laut theoretischer Analyse sein Young-Modul. Im Allgemeinen kann der Modul des ionischen Gels durch Anpassen der Vernetzungsdichte und der Konzentration der ionischen Flüssigkeit im Gel gesteuert werden. Durch Anpassen der Verhältnisse zwischen HEMA, PEGDA und EMIMOTF von 0:1:1, 4:1:5, 9:1:10, 19:1:20 bis 49:1:50 werden Polymernetzwerke mit unterschiedlichen Vernetzungsdichten gebildet von 100, 20, 10, 5 bzw. 2 %, und der relevante Young-Modul des ionischen Gels kann seit der Polymerkette von 15,46, 5,08, 2,59, 2,00 bis 1,85 MPa geändert werden, wie in Abb. 2d zusammengefasst Die Bewegung wird mit zunehmender Vernetzungsdichte eingeschränkt. Aufgrund der geringen Vernetzungsdichte zeigen die ionischen Gele mit Gewichtsverhältnissen von 19:1:20 und 49:1:50 jedoch eine plastische Verformung unter Druck, was zu einer schlechten Erholung und Wiederholbarkeit des taktilen Sensors führt. Darüber hinaus kann durch Ändern der Gewichtsverhältnisse zwischen Polymermonomer und ionischer Flüssigkeit auch der Elastizitätsmodul des ionischen Gels gesteuert werden. Eine höhere Konzentration an ionischer Flüssigkeit kann zu einer weicheren ionischen Gelmatrix mit einem höheren „uneingeschränkten Volumen“ und geringeren Wechselwirkungen zwischen Polymersegmenten führen, wie in Abb. 2e33 dargestellt. In dieser Studie haben wir festgestellt, dass ein Modul von nur 0,79 MPa erreicht werden kann, wenn das Gewichtsverhältnis zwischen HEMA, PEGDA und EMIMOTF auf 9:1:20 eingestellt ist. Leider würde dieses Verhältnis dazu führen, dass die ionische Flüssigkeit unter äußerem Druck aus der Gelmatrix austritt, was die Stabilität des Geräts beeinträchtigt. Daher würden wir das Gewichtsverhältnis von 1:1 zwischen aushärtbarem Monomer und ionischer Flüssigkeit als primären Parameter für die weitere Untersuchung wählen, da es eine relativ hohe Elastizität (dh einen niedrigen Elastizitätsmodul) und eine hohe Stabilität aufweist.

Wie bereits erwähnt, ist die hohe intrinsische Lichtdurchlässigkeit aller Baumaterialien die Voraussetzung für die hohe optische Transparenz des TIS-Geräts. Abbildung 2f zeigt das sichtbare Spektrum des ionischen Gelmaterials (50 μm dick) mit einem Verhältnis zwischen HEMA, PEGDA und EMIMOTF von 9:1:10, dem leitfähigen AgNw-Film und der RI-passenden Flüssigkeit. Wie zu sehen ist, zeigt das vorbereitete glatte ionische Gel eine hohe Lichtdurchlässigkeit im gesamten sichtbaren und nahen Infrarotspektrum, und bei 550 nm, der Standardwellenlänge für den Transparenzvergleich, wird eine Lichtdurchlässigkeit von 92,1 % im Vergleich zu Luft erhalten. Es ist erwähnenswert, dass die intrinsische Lichtdurchlässigkeit des Ionengels 99,5 % betragen sollte, wie in der Ergänzungsgleichung vorhergesagt. 1, und die Materialabsorption und -streuung tragen nur zu einem Transmissionsverlust von 0,5 % bei (e−(a+s)x = 99,5 %), da seine Molekülgruppen und die hohe strukturelle Gleichmäßigkeit eine geringe Absorption sichtbaren Lichts aufweisen. Der größte Verlust an Lichtdurchlässigkeit resultiert aus der Lichtreflexion an beiden Grenzflächen zur Luft. Darüber hinaus verfügt der leitfähige AgNw-Film auch über eine extrem hohe Lichtdurchlässigkeit von 95,3 % und ist auf seiner nichtleitenden Oberfläche mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, wodurch die Lichtreflexion an der Festkörper-Luft-Grenzfläche erheblich reduziert werden kann34. Darüber hinaus besteht die RI-passende Flüssigkeit hauptsächlich aus Silikonöl und flüssigem Paraffin, die beide eine geringe Absorption im sichtbaren Spektrum aufweisen35. Daher beträgt die Lichtdurchlässigkeit der RI-passenden Flüssigkeit in einer Küvette mit einer optischen Länge von 9,55 mm 99,9 % im Vergleich zu einer mit entionisiertem Wasser gefüllten Küvette. Bei einem TIS-Gerät, das eine RI-passende Flüssigkeitsschicht mit einer Dicke von etwa 25 μm enthält, verursachen die Lichtabsorption und -streuung der Flüssigkeit entsprechend nur einen vernachlässigbaren Verlust von 0,002 % bei der Durchlässigkeit. Infolgedessen weisen alle im TIS-Gerät verwendeten Baumaterialien sowohl laut Literatur als auch unseren experimentellen Überprüfungen nachweislich eine hohe Transparenz auf.

Das Kapazitäts-Druck-Verhältnis (C–P) ist der Schlüssel zum TIS-Gerät, da es mehrere kritische Eigenschaften des Sensors demonstriert, darunter Empfindlichkeit, Linearität, Erfassungsbereich sowie Anti-Interferenz6,8,30,36,37 ,38,39. Nach Gl. Wie in 2 gezeigt, hängt die Empfindlichkeit des TIS-Geräts mit Einheitsflächenbeschränkung vom Krümmungsradius der Halbkugel und der Dichte des Arrays ab. In diesem Abschnitt werden die Einflüsse dieser Parameter auf die Empfindlichkeit des TIS-Geräts erörtert, mit dem Ziel, die mechanische Reaktion des Sensors zu steuern und zu optimieren.

Die geometrischen Parameter des halbkugelförmigen Arrays können durch Mikro-/Nanofertigung leicht gesteuert werden. Wie in Gl. gezeigt. 2 führen eine höhere Array-Dichte und eine größere Halbkugel zu einer höheren Empfindlichkeit des TIS-Geräts. Abbildung 3a zeigt die experimentellen Untersuchungen zum Einfluss der Array-Dichte auf die mechanische Reaktionskurve des TIS-Geräts. Durch UV-Härtung der ionischen Gele unter Verwendung der PDMS-Formen werden unterschiedliche Array-Dichten von 27.778, 17.778, 10.000 und 4.444 cm-2 erreicht, entsprechend dem Halbkugeldurchmesser/-abstand von 50 μm/10 μm, 50 μm/25 μm, 50 μm/50 μm und 50 μm/100 μm. In guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen liefert das TIS-Gerät mit einer Array-Dichte von 27.778 cm−2 (50 μm/10 μm) die höchste Empfindlichkeit von 83,9 kPa−1 im Druckbereich von 0–20 kPa, wenn man den extrem niedrigen Anfangswert berücksichtigt Kapazität von 17,4 pF (dargestellt in der ergänzenden Abbildung 4). Dieser Wert sinkt von 20 auf 100 kPa auf 20,4 kPa−1, was gut mit der theoretischen Vorhersage übereinstimmt, dass die Empfindlichkeit mit steigendem Druck abnimmt. Abbildung 3b zeigt die Beziehung zwischen den Halbkugelgrößen und den Druckreaktionen der Sensoren. Da alle anderen Variablen unverändert bleiben (insbesondere die Array-Dichte), führt ein größerer Halbkugeldurchmesser zu einer höheren Geräteempfindlichkeit des TIS-Geräts. Beispielsweise beträgt die Empfindlichkeit des TIS-Sensors mit einem Halbkugeldurchmesser von 50 μm 83,9 kPa−1, was dem 2,2- bzw. 3,93-fachen der Empfindlichkeit mit den Halbkugeldurchmessern von 20 und 10 μm entspricht. In der Praxis sollte das halbkugelförmige Mikroarray mit einer Größe von mehr als 50 μm die Geräteempfindlichkeit weiter verbessern. Allerdings ist es schwierig, die Konsistenz einer derart großen Halbkugel während der Herstellung der Form durch das Aufschmelzen des Fotolacks vorzubereiten und aufrechtzuerhalten40,41. Da die maximale Dichte der Halbkugeln, die in einer bestimmten Fläche erreicht werden kann, direkt von der Einheitsmerkmalsgröße beeinflusst wird, haben wir insbesondere auch die C-P-Kurven der TIS-Geräte mit der maximalen Dichte der Halbkugeln bei verschiedenen Merkmalsgrößen verglichen , der Halbkugeldurchmesser/-abstand von 50 μm/10 μm, 20 μm/10 μm bzw. 10 μm/10 μm, wie in Abb. 3c gezeigt. Der enge Abstand von weniger als 10 μm kann zu verzerrten Mustern aufgrund des übermäßigen Tiefen-Breite-Verhältnisses führen, insbesondere bei solchen mit einer größeren Halbkugelgröße. Nach Gl. 2: Der Durchmesser der Halbkugel hat einen größeren Einfluss auf die Empfindlichkeit als die Dichte. Die Messergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit dem Modell, bei dem die größeren Strukturgrößen erwartungsgemäß zu einer höheren Geräteempfindlichkeit bei maximaler Array-Dichte führen würden. Konkret kann die Empfindlichkeit mit 1:0,80:0,47 aus den TIS-Sensoren mit Halbkugeldurchmesser/-abstand von 50 μm/10 μm, 20 μm/10 μm und 10 μm/10 μm berechnet werden. Um die Wiederholbarkeit des TIS-Geräts zu überprüfen, wurden die Sensoren zyklischen Belastungen ausgesetzt. Die in Abb. 3d zusammengefassten Ergebnisse zeigen, dass bei einem niedrigeren Druckniveau (<40 kPa) eine nahezu identische CP-Reaktionskurve verfolgt werden kann, bei einem höheren Druck jedoch eine leichte Abweichung mit einem variablen Koeffizienten von 3 % beobachtet wurde (von 40 bis 100 kPa), was auf einen Systemfehler des Ladegeräts zurückzuführen sein kann. Insgesamt haben die Testergebnisse die hohe Wiederholbarkeit der C-P-Reaktion des TIS-Geräts im Vergleich zu den aktuellen taktilen Sensoren bewiesen, insbesondere bei einem niedrigen Druckbereich42. Darüber hinaus sind in Abb. 3e die mikroskopischen Bilder der Ionengele mit unterschiedlichen Oberflächentopologien dargestellt. Unter Berücksichtigung der kombinierten Leistung der Materialeigenschaften und geometrischen Parameter des funktionellen Ionengelarrays wird festgestellt, dass das Ionengel ein Gewichtsverhältnis zwischen HEMA, PEGDA und EMIMOTF von 9:1:10 und einen Halbkugeldurchmesser/-abstand von 50 μm aufweist /10 μm als optimale Auswahl für die Konstruktion der folgenden TIS-Geräte.

a Die Reaktionskurven (C–P) der TIS-Geräte, die ionische Gele mit unterschiedlichen Mikrohalbkugel-Array-Dichten verwenden, b die Reaktionskurven (C–P) der TIS-Geräte, die ionische Gele mit unterschiedlichen Halbkugeldurchmessern verwenden, c die Reaktion (C–P)-Kurven der TIS-Geräte unter Verwendung der ionischen Gele mit maximaler Dichte der Hemisphären bei verschiedenen Strukturgrößen, d die Wiederholbarkeit der Reaktions-(C–P)-Kurven der TIS-Geräte, e die mikroskopischen Bilder der ionischen Gele mit unterschiedlichen Oberflächentopologien, f die Charakterisierung der Ansprech- und Rückstellzeiten im dynamischen Belastungstest, g der Wiederholbarkeitstest von 5000 Zyklen und h die Druckauflösung und Erkennungsschwelle des TIS-Geräts.

Zusätzliche Bewertungen wurden durchgeführt, um die Reaktionszeit, Wiederholbarkeit und Auflösung des TIS-Geräts zu bewerten. Die Tests zur Ansprechgeschwindigkeit wurden unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors durchgeführt, um eine periodische Laständerung (ca. 1 kPa) auf den Sensor auszuüben. Die Ergebnisse sind in Abb. 3f zusammengefasst. Durch die Analyse der Lade- und Entladephasen jedes Zyklus wurden die Reaktions- und Rückstellzeiten des Sensors, der unter Verwendung eines ionischen Gels mit optimierten Parametern hergestellt wurde, bei 61 bzw. 50 ms gemessen. Diese Werte waren im Vergleich zu einigen klassischen iontronischen Sensoren, die im Submillisekundenbereich reagieren konnten, nicht besonders ausgeprägt, da die Einführung der RI-passenden Flüssigkeit aufgrund ihrer im Vergleich zu Luft hohen Viskosität die Reaktionszeit verlängerte42. Solche Reaktionsraten hätten jedoch bereits eine breite Palette medizinischer und industrieller Anwendungen erfüllen können, beispielsweise die Messung arterieller Pulswellen und die interaktive Mensch-Maschine-Schnittstelle42. Darüber hinaus wurde die Wiederholgenauigkeit des taktilen Sensors unter wiederholten mechanischen Belastungen von 1 kPa bei 5 Hz untersucht. Abb. 3g zeigte, dass im TIS-Gerät nach 5000 Arbeitszyklen weniger als 10 % Schwankungen der Signalgrößen beobachtet wurden, was die Langzeitstabilität und Wiederholbarkeit des Geräts beweist. Schließlich haben die TIS-Geräte durch die Nutzung der Rauschimmunität der iontronischen Sensorik3 eine überlegene Druckauflösung/Detektionsschwelle von 10 Pa gezeigt. Abbildung 3h zeigt die kontinuierliche Echtzeitaufzeichnung vom TIS-Gerät durch Platzieren und Entfernen ein ultraleichtes Objekt (z. B. ein Wattebausch von 0,4 g) auf der Oberfläche, was die Druckauflösung bei 10 Pa beweist.

Nach Gl. 1 wird die Transparenz des TIS-Geräts hauptsächlich durch die Absorption und Streuung aller Materialien und die Reflexionen an allen Grenzflächen bestimmt. Ionisches Gel, das wichtigste Sensormaterial des TIS-Geräts, wurde experimentell bei einer geringen Lichtabsorption und -streuung (0,5 %) gemessen. Wie in Abb. 4a gezeigt, wird die Lichtdurchlässigkeit des glatten Ionengels mit 92,1 % gemessen, was nur einen marginalen Einfluss auf die Helligkeit und Klarheit des Bildes darunter zeigt. Die Ionode mit der Mikroarray-Konfiguration kann jedoch eine erhebliche Lichtstreuung verursachen. Beispielsweise führt die Ionode mit der mikrohemisphärischen Anordnung von 50 μm/10 μm im Durchmesser/Abstand zu einer geringen Lichtdurchlässigkeit von 35,4 %. Denn die Oberflächenunregelmäßigkeit vergrößert den Einfallswinkel des Lichts bei einem hohen Reflexionsgrad im Vergleich zur ebenen Fläche erheblich, wie in den Fotos in Abb. 4a gezeigt. An der mikrostrukturierten Grenzfläche kommt es unvermeidlich zu einer merklichen Lichtreflexion, die zu einer Verschlechterung der Transparenz des TIS-Geräts führt.

a Die sichtbaren Spektren des ionischen Gels mit und ohne Oberflächenmikrostruktur; b die RIs des ionischen Gels und der RI-passenden Flüssigkeit mit unterschiedlichen Komponenten; c die sichtbaren Spektren der TIS-Geräte, die mit Medien mit unterschiedlichen RIs gefüllt sind; d Der Vergleich der Helligkeit und Klarheit der Bilder unter den TIS-Geräten unter Verwendung verschiedener gefüllter Medien.

Wie bereits erwähnt, dient die Einführung einer RI-passenden Flüssigkeit dazu, den Grenzflächen-Erkennungsspalt zwischen der Elektrode und der Ionode zu füllen, wodurch die Lichtreflexion an allen Grenzflächen im Inneren des Geräts, insbesondere an der auf der Mikroarray-Seite, deutlich reduziert werden kann. Wichtig ist, dass die RI-passende Flüssigkeit zwei Hauptanforderungen erfüllen muss: RI-Übereinstimmung mit dem des ionischen Gels und chemische Stabilität mit dem Gel, was bedeutet, dass es keinen Materialaustausch der ionischen Komponente oder Schwellung der Gelmatrix verursacht . Die erste Anforderung kann durch die Herstellung eines Mischungssystems erfüllt werden, das sowohl Komponenten mit hohem als auch niedrigem RI enthält. Konkret kann über das Mischungsverhältnis zwischen den beiden Komponenten der RI der RI-passenden Flüssigkeit eingestellt werden. Die andere Anforderung kann gelöst werden, indem ein „Öl-Wasser“-Antipathiesystem eingerichtet wird, um eine stabile Koexistenz zwischen ionischem Gel und RI-passender Flüssigkeit zu erreichen, wobei das ionische Gel wasserartig hydrophil ist, während die RI-passende Flüssigkeit Öl sein sollte -ähnlich mit hoher Hydrophobie. Eine solche hydrophob-hydrophile Materialschnittstelle zeigt eine hervorragende Stabilität ohne offensichtliche Freisetzung ionischer Flüssigkeiten oder Gelquellung43. Unter Berücksichtigung der hohen Hydrophobie, hohen Transparenz, geringen Verdunstung, Ungiftigkeit und des spezifischen RI-Bereichs wurden Phenylsilikonöl (RI = 1,51), Dimethicon (RI = 1,40) und flüssiges Paraffin (RI = 1,48) für den RI ausgewählt. passende Flüssigkeit als Bestandteile mit hohem, mittlerem und niedrigem RI. Der Grund für die Zugabe eines Bestandteils mit mittlerem RI liegt darin, dass sich Phenylsilikonöl nicht mit Dimethicon vermischen kann, um eine transparente Flüssigkeit zu bilden. Daher wird flüssiges Paraffin zum Mischen mit Phenylsilikonöl oder Dimethicon verwendet, um zwei Zweikomponentensysteme mit einstellbaren RIs von 1,51–1,48 (Phenylsilikonöl/flüssiges Paraffin) bzw. 1,48–1,40 (flüssiges Paraffin/Dimethicon) zu bilden Es kann einen weiten Bereich der RI-Anpassung von 1,40 bis 1,58 abdecken, indem das Zweikomponentensystem für verschiedene Materialkonstrukte des Ionengels verwendet wird, wie in Abb. 4b dargestellt.

Um die Leistung der RI-Matching-Strategie zu validieren, haben wir die optische Transparenz des TIS-Geräts vor und nach der Einführung der RI-Matching-Flüssigkeit verglichen. Wie in Abb. 4c zusammengefasst, weist das TIS-Gerät mit Luftspalt nur eine Lichtdurchlässigkeit von 33,7 % auf, was die Helligkeit und optische Klarheit der Bildqualität unterhalb der Sensoroberfläche erheblich beeinflusst. Nach dem Füllen des Luftspalts mit RI-passenden Flüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung, darunter reines Dimethicon, reines Phenylsilikonöl und eine perfekt abgestimmte Zusammensetzung von 1:10 zwischen Dimethicon und flüssigem Paraffin, deuten die Ergebnisse auf eine bemerkenswerte Verbesserung der Lichtdurchlässigkeit des TIS hin Gerät. Darüber hinaus führt die Verwendung einer idealen RI-passenden Flüssigkeit (Δn = 0) zum ionischen Gel (RI = 1,4688) zu einer optimalen Leistung von 96,9 % bei der Transmissionsmessung im Vergleich zu 69,3 und 71,4 % bei Verwendung von Dimethicon (RI = 1,4030, Δn = 0,0658) und Phenylsilikonöl (RI = 1,5110, Δn = −0,0422), die in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage größere RI-Unterschiede zum ionischen Gel aufweisen. Abb. 4d zeigt die Transparenzschwankungen der Proben bei Verwendung verschiedener Anpassungsmedien, wobei dasjenige, bei dem die ideale RI-Anpassungsflüssigkeit verwendet wird, durch das TIS-Gerät zur höchsten Helligkeit und Klarheit des Bildes führt. Dadurch wurde eine optische Transparenz von 96,9 % erreicht, die unseres Wissens nach die höchste in der Literatur ist, indem die Luftgrenzflächen durch die RI-passende Flüssigkeit entfernt wurden.

Ergänzende Abbildung 6 fasst zusammen mit Tabelle 1 die Leistungsvergleiche des TIS-Geräts mit anderen flexiblen transparenten Drucksensoren hinsichtlich Empfindlichkeit und Lichtdurchlässigkeit zusammen. Wie bereits erwähnt, weisen die Empfindlichkeit und die Lichtdurchlässigkeit des herkömmlichen flexiblen transparenten Sensors typischerweise eine entgegengesetzte Beziehung auf; Mit anderen Worten: Eine höhere Empfindlichkeit führt im Literaturvergleich immer zu einer geringeren Lichtdurchlässigkeit, wie in der ergänzenden Abbildung 62,5,6,12,16,17,19,21,32,44,45,46,47 dargestellt . Dies liegt vor allem daran, dass die Empfindlichkeitsverbesserung des taktilen Sensors durch die Einführung grober Grenzflächen erreicht wurde, die nachteilig zu zusätzlicher Lichtreflexion an solchen Grenzflächen führen. Alternativ bietet in dieser Arbeit das Einbringen der RI-passenden Flüssigkeit in die Sensorschicht einen Weg, das Dilemma zwischen hoher Transparenz und hoher Empfindlichkeit zu lösen, indem die an den internen Materialgrenzflächen auftretenden Lichtreflexionen eliminiert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene TIS-Gerät die elastische ionische Gelmatrix (mit den Gewichtsverhältnissen von HEMA, PEGDA und EMIMTFSI bei 9:1:10) verwendet hat, die eine hochelastische (mit dem Young-Modul von 2,59 MPa) und ultraempfindliche Schnittstelle aufweist (mit dem hohen UAC von 766,9 nF) sowie hoher Stabilität unter Druck. Die Ionode ist von der Sensorschicht aus ionischem Gel bedeckt, die in einer halbkugelförmigen Mikroarray-Konfiguration strukturiert ist (mit einem Durchmesser/Abstand von 50 μm/10 μm). Zusätzlich wird die RI-passende Flüssigkeit mit der ionischen Gelmatrix in die Sensorschicht eingeführt, um alle reflektierenden Luft-Feststoff-Grenzflächen zu entfernen. Infolgedessen weist das TIS-Gerät insgesamt eine überlegene Leistung auf (d. h. eine Empfindlichkeit von 83,9 kPa−1 und eine Lichtdurchlässigkeit von 96,9 %), die in der Literatur unter den vorhandenen flexiblen transparenten taktilen Sensoren am höchsten ist.

Aufgrund seiner ausgeprägten hohen Transparenz und hohen Empfindlichkeit kann das TIS-Gerät so vorbereitet werden, dass es auf jeden Bildschirm oder jedes Display geklebt wird, wodurch es zu einem druckempfindlichen Touchscreen-Gerät wird, das als TIS-Touchscreen bezeichnet wird. Die herkömmlichen 3D-Touch-Geräte, die druckempfindlich, aber nicht optisch transparent sind, können nur an der Rückseite des optischen Displays angebracht werden, was die Empfindlichkeit und räumliche Auflösung des Geräts weiter verringert. Im Gegensatz dazu kann der TIS-Touchscreen mit der extrem hohen Transparenz die Inhalte mit hoher Helligkeit und hoher Klarheit mit einem minimalen optischen Verlust (weniger als 4 %) auf dem Display weitergeben, während er seine hohe Geräteempfindlichkeit beibehält und die Erkennung empfindlicher Objekte ermöglicht Taktiles Feedback für Augmented Reality. Daher kann das TIS-Gerät einfach auf jedes vorhandene, nicht berührungsempfindliche Display aufgesetzt und gleichzeitig zu einem druckempfindlichen Instrument aufgerüstet werden. Abbildung 5a zeigt, dass der TIS-Touchscreen mit 32 × 32 Sensoreinheiten implementiert wurde, indem die obere Elektrode und die untere Ionode in ein orthogonales Scan-Array mit einer räumlichen Auflösung von 2 × 4 mm2 strukturiert wurden. Die hochauflösende Drucksensormatrix kann als interaktive Eingabemethode beim Drücken, Schreiben oder Zeichnen von besonderem Interesse sein, da sie neben den Positionierungsinformationen auf der X-Y-Ebene auch den Druck-/Kraftwert auf der dritten Achse bietet. Abbildung 5b zeigt das Schaltungssystem des TIS-Touchscreens. Das Zeilen- und Spaltenelektrodenarray im TIS-Touchscreen wird jeweils über anisotropen leitfähigen Klebstoff (ACF) mit zwei FPC-Anschlüssen verbunden und dann mit der Signalausleseschaltung verbunden. Die Ausleseschaltung besteht hauptsächlich aus einer Zeilenauswahleinheit (MUX), einer Datenerfassungseinheit (ADC), einer Dekodiereinheit (DAC) und einer Steuereinheit (FPGA). Ein programmierter FPGA gibt ein Steuersignal aus, um verschiedene Zeilen in der Matrix durch den MUX auszuwählen, und die Signale aller Einheiten der ausgewählten Zeile werden durch einen Operationsverstärker verstärkt und vom ADC erfasst, nachdem die Signale vom FPGA verarbeitet wurden Bei der Decodierung der Signale durch den DAC werden die gesammelten Informationen aller Zeilen zur Aufzeichnung und Anzeige an Labview übertragen, wie in der ergänzenden Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 5c ​​zeigt die erfasste Druckwärmekarte von „CAS“ durch Fingerberührung mit unterschiedlichen Kontaktdrücken ( sanft, mild und stark) zwischen verschiedenen Buchstaben in hoher Auflösung auf dem TIS-Touchscreen. Eine solche Wärmekarte zeichnet die Druckschwankungen jedes einzelnen Sensorelements in Echtzeit während des Schreibens auf, was weiter zur Unterscheidung der Schreibmuster oder Unterschriften verschiedener Personen als biometrische Identifizierungsmethode für Verschlüsselungsanwendungen in HMI verwendet werden kann36,48. Darüber hinaus kann man mit der Wärmekarte der Kontaktdruckinformationen im TIS-Touchscreen einen Objekterkennungsalgorithmus entwickeln, um verschiedene Objekte für taktile künstliche Intelligenz zu identifizieren9. Insbesondere würde der physische Kontakt zwischen einem beliebigen Objekt und dem Display ein statisches Druckverteilungsmuster bilden, dessen Form- und Gewichtsinformationen die Wärmekarte für die weitere KI-Analyse enthält. Durch die Erweiterung der Leistungsfähigkeit einer solchen taktilen KI kann man ein virtuelles Schachspiel in ein reales umwandeln, dessen Schachfiguren zum Spielen auf dem TIS-Touchscreen stehen. In diesem Szenario sind Schachfiguren mit verschiedenen Kontaktformen an der Unterseite konfiguriert, und die entsprechenden Wärmekarten der Druckverteilung enthalten charakteristische Schlüsselmerkmale jeder Figur, sodass der Touchscreen die Figuren und Bewegungen anhand ihrer Kontakt-Heatmap-Informationen lesen kann wie in Abb. 5d gezeigt. Infolgedessen hat der TIS-Touchscreen großes Potenzial für die Mensch-Maschine-Schnittstelle der nächsten Generation für Eingabe-, Identifikations- und Augmented-Reality-Anwendungen gezeigt.

a Der TIS-Touchscreen mit einem auf dem Bildschirm angebrachten 32 × 32-Sensorarray und das schematische Strukturdiagramm des TIS-Arrays, b das TIS-Touchscreen-System und das Design der Signalausleseschaltung, c die erfasste Druckwärmekarte beim Schreiben von „CAS“. mit dem Finger auf dem Bildschirm, da typische Anwendungsszenarien der Objekterkennung mittels TIS-Touchscreen: virtuelles Schachspiel auf einem Anzeigegerät mit realen Figuren.

Eine weitere wichtige Anwendung für die transparente taktile Wahrnehmung liegt im schnell wachsenden Bereich der klinischen endoskopischen Bildgebung und Chirurgie, wo ein kleines optisches Element in einem Katheter- oder Schlauchformat in eine natürliche Höhle des Menschen eingeführt wird, am häufigsten in den Magen-Darm-Trakt49,50 . Theoretisch kann das Endoskop mit taktiler Sensorfunktion die Kontaktkraftinformationen in das visuelle Bild integrieren, was ein großes Potenzial für die Zwecke der taktilen Rückmeldung und der Messung der Gewebesteifigkeit bei routinemäßigen endoskopischen Untersuchungen darstellt51.

Um sowohl für die klinische Sicherheit als auch für Navigationszwecke taktiles Feedback bereitzustellen, konzentriert sich die aktuelle Forschung hauptsächlich auf die Integration der klassischen MEMS-Kraftsensoren mit solider Strukturkonstruktion in den Endoskopkopf7. Da diese MEMS-Geräte nicht transparent, sondern starr sind, führen diese Ansätze immer zu recht komplizierten mechanischen Konstruktionen zur Anpassung der Festkörpersensoren an den begrenzten Platz auf dem endoskopischen Instrument, was zu erheblich hohen Gerätekosten sowie einer verringerten Systemzuverlässigkeit führt. Allerdings kann der direkte Kontakt mit der optischen Linse bei einer solch komplexen Gerätearchitektur nicht einfach erkannt werden. In dieser Arbeit haben wir die herkömmlichen MEMS-Sensoren mit dem TIS-Gerät für das endoskopische taktile Feedback aufgerüstet. Im Gegensatz zum komplizierten Strukturdesign zur Übertragung der Kontaktkraft kann das hochtransparente und ultraflexible TIS-Gerät direkt auf die Oberfläche der optischen Linse des Endoskops aufgebracht werden, ohne dass seine optische Leistung spürbar beeinträchtigt wird. Abbildung 6a, b zeigt die Montage und die integrierten Versionen des TIS-Geräts auf dem endoskopischen Kopf mit jeweils umgebener LED-Beleuchtung. Insbesondere wurde die Kopfgröße des Endoskops auf einen Durchmesser von 3,7 mm begrenzt, um durch natürliche Hohlräume navigieren zu können. Dementsprechend wurde ein TIS-Gerät mit demselben Durchmesser vorbereitet und innerhalb der Kopfgröße perfekt in das Endoskop integriert. Darüber hinaus haben wir die elektrische Verpackung des TIS-Geräts modifiziert, indem wir die flexiblen Elektroden im Endoskop angeschlossen haben, wodurch verhindert wird, dass die elektrischen Anschlüsse während des endoskopischen Eingriffs der umgebenden Flüssigkeit ausgesetzt werden. Infolgedessen wurde ein solches Miniatur-TIS-Gerät erfolgreich in das Endoskop integriert, um die taktilen Funktionen im optischen System mit einem marginalen Einfluss auf die Helligkeit und Klarheit der erhaltenen Bilder zu ermöglichen (in ergänzender Abbildung 8). Darüber hinaus haben wir das TIS-fähige Endoskop verwendet, um durch ein Bauchspeicheldrüsenmodell mit echtem Bauchspeicheldrüsen- und Bauchspeicheldrüsenkrebsgewebe zu navigieren und so die In-vivo-Situation nachzuahmen (Abb. 6c). Sobald ein direkter Kontakt zwischen der optischen Linse und dem Gewebe auftritt, würde die kapazitive Anzeige des TIS-Geräts einen erheblichen Anstieg anzeigen, der aus Sicherheitsgründen in eine Kraftskala umgewandelt werden kann. Abbildung 6d zeigt die Kontaktdruckmessungen durch wiederholte Berührungen des TIS-fähigen optischen Kopfes am Modell. Wie man sieht, lassen sich sanfte Berührungskräfte von nur 1 mN leicht in die empfindliche taktile Rückmeldung umwandeln, was möglicherweise chirurgische Schäden verhindern oder empfindliche Oberflächeninformationen für die Roboternavigation bereitstellen kann.

a Das Diagramm des TIS-Geräts, das an der Endoskoplinse angebracht ist, b die Fotos des TIS-fähigen Endoskops, c die endoskopische Untersuchung des TIS-fähigen Endoskops in einem Pankreasmodell und d die festgestellte winzige Kraft des Kontakts mit dem Gewebe , e das Bauchspeicheldrüsenkrebsgewebe und f das normale Bauchspeicheldrüsengewebe, das für die Steifigkeitsmessung verwendet wird, g die Rohdaten für die Steifigkeitsmessung von PDMS, PDMS/Ecoflex-Mischung, Ecoflex, Bauchspeicheldrüsenkrebsgewebe und normalem Bauchspeicheldrüsengewebe, h die gemessenen Steigungsraten und die berechneten Elastizitätsmodul (das „*“ markiert die Referenzwerte aus dem Standard-Zugversuch und das „#“ markiert die berechneten Werte aus Gleichung 3) verschiedener Proben für den Steifigkeitstest.

Das mit transparenter Elektronik integrierte Endoskopsystem kann außerdem physikalische, chemische und biologische Informationen über das Gewebe liefern, was die Charakterisierung und Entfernung von Tumoren während der endoskopischen Untersuchung erleichtern kann. Frühere Forschungsarbeiten lieferten impedanzbasierte Sensorik, pH-basierte Sensorik, Kontaktsensorik und Temperaturkartierung in Kombination mit einer HF-Ablationstherapie des Tumorgewebes52. Hier kann durch die endoskopische taktile Messung ein weiterer wichtiger Parameter, die Gewebesteifigkeit, ermittelt werden. Die Gewebesteifheit spiegelt die Gewebezusammensetzung und -heterogenität wider, die sich im Verlauf der Krankheit häufig verändern53. Beispielsweise sind bösartige Tumore im Allgemeinen härter als normales Gewebe und gutartige Tumore54. Daher könnte die integrierte taktile Messung der Gewebesteifigkeit eine einfache Methode zur endoskopischen Untersuchung bösartiger Tumoren in Echtzeit darstellen, während die visuelle Inspektion solche Informationen nicht in situ auflösen kann55. Um eine quantitative Beurteilung der Gewebesteifigkeit zu erstellen, wurde das folgende Verfahren implementiert. Zunächst wird das Endoskop mit konstanter Geschwindigkeit an die Probe herangeführt, bis eine bestimmte Sicherheitsgrenze erreicht ist. Anschließend wurde die Steigungsrate der Kurve (S) zwischen den Verschiebungen des Endoskops und den Kraftausgängen des TIS-Geräts berechnet. In der klassischen biomechanischen Theorie besteht zwischen der Steifigkeit, dargestellt als Elastizitätsmodul (E), der Probe eine empirische Beziehung zur Steigungsrate, wie folgt:

wobei a und b konstant sind, was bedeutet, dass die Probe mit einem größeren Wert von S einer höheren Materialsteifigkeit aus dem Test entspricht56. Dies kann zu einer quantitativen Beurteilung der Gewebeeigenschaften durch das TIS-fähige endoskopische System führen. Beispielsweise wurden die Steifigkeiten des Bauchspeicheldrüsenkrebses (Abb. 6e) und des normalen Pankreasgewebes (Abb. 6f) gemessen, von denen ersteres aufgrund der schweren Fibrose eine deutlich höhere Steifheit aufweist als letzteres verglichen. Drei Kalibrierungsproben, nämlich PDMS (E = 1,03 MPa), Ecoflex (E = 0,07 MPa) und die 1:1-Mischung (E = 0,37 MPa), mit den bekannten Young-Modulen wurden vorab untersucht, um die Konstanten zu bestimmen ( a und b) in Gl. 3. Die Young-Moduli der Kalibrierungsproben werden aus ihren Dehnungs-Spannungs-Kurven erhalten, die in der ergänzenden Abbildung 9 dargestellt sind. In Abbildung 6g sind die Steifigkeitsmessdaten von vier Zyklen aller realen und Kalibrierungsproben sowie der visuellen Inspektion zusammengefasst Das Endoskop wurde gleichzeitig und ohne Störungen über diese Proben geführt. Durch die Analyse der Messdaten werden die Steigungsraten S (N/mm) aller Proben zu 2,44 ± 0,088 für PDMS, 1,78 ± 0,058 für PDMS/Ecoflex-Mischung, 0,92 ± 0,024 für Ecoflex und 0,96 ± 0,027 für Pankreas erhalten Krebsgewebe und 0,61 ± 0,014 für normales Pankreasgewebe, wie in Abb. 6h dargestellt. Als Ergebnis gilt Gl. 3 kann mit a = −2,065 und b = 0,943 angepasst werden, woraus die Steifigkeiten des normalen Bauchspeicheldrüsengewebes und des Bauchspeicheldrüsenkrebses weiter zu 3,662 ± 0,648 bzw. 62,37 ± 8,64 kPa berechnet werden können. Beide Steifigkeitsmessungen liegen mit anderen Mitteln aus der Literatur innerhalb der angegebenen Bereiche, und was noch wichtiger ist, das erkrankte Gewebe weist erwartungsgemäß einen deutlich höheren Wert auf als das normale Gewebe57,58. Kurz gesagt: Das TIS-fähige Endoskop, das visuelle und mechanische Messkapazitäten kombiniert, kann zusammen mit der optischen Beobachtung die Unterschiede zwischen der Steifheit von normalem und bösartigem Gewebe quantitativ belegen und bietet damit eine mögliche Richtung für die multifunktionale endoskopische Diagnose in der Zukunft.

Zusätzlich zur Messung des Kontaktdrucks an verschiedenen optischen Geräten kann das TIS-Gerät auch in ein tragbares und nicht wahrnehmbares Format für die Echtzeitüberwachung arterieller Pulswellenformen konfiguriert werden. Die Messungen der Pulswellenform können durchgeführt werden, indem mit einem Finger oder einem Armband ein sanfter Druck auf den Erfassungsbereich ausgeübt wird59. Abbildung 7a und b zeigen, dass ein kreisförmiges TIS-Gerät mit einem Durchmesser von 2 cm direkt auf der menschlichen Haut befestigt werden kann, um biomechanische Signale aus arteriellen Blutimpulsen oder Muskelbewegungen zu erfassen, und zwar aufgrund seiner hohen optischen Qualität nahezu unsichtbar Transparenz. Wenn es auf die Schläfen- und Handgelenksregionen aufgetragen wird, können die sich wiederholenden arteriellen Pulswellenformen mit hoher Genauigkeit erfasst werden, was in etwa 75 bzw. 65 Schläge pro Minute der Freiwilligen umgewandelt werden kann. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit können die erkannten Signale außerdem alle wichtigen Merkmale der Pulswellenformen im Detail aufzeigen, einschließlich des systolischen Peaks (P1), des reflektierten systolischen Peaks (P2), des dikrotischen Peaks (P3) und des enddiastolischen Drucks (P4). . Diese charakteristischen Spitzen können verwendet werden, um die relevanten hämodynamischen Parameter in Echtzeit quantitativ zu bewerten, einschließlich des arteriellen Augmentationsindex, der eng mit der arteriellen Steifheit und dem Blutdruck usw. zusammenhängt.60. Daher können frühe kardiovaskuläre Ereignisse oder Symptome durch Big-Data-Analyse aus solchen kontinuierlich gesammelten Datensätzen vorhergesagt werden. Im Gegensatz zu anderen alternativen Geräten bietet die hohe Transparenz des TIS-Sensors den Patienten eine komfortable Gesundheitsüberwachung durch das flexible und dennoch unauffällige tragbare Gerät, das unter Berücksichtigung der Privatsphäre des Patienten dennoch hochauflösende Signale mit hoher Wiedergabetreue liefert42.

a Das vom TIS-Gerät an der Schläfe erfasste Pulswellensignal. Das eingefügte Bild zeigt die detaillierte Wellenform einer Einzelpulswelle. b Das vom TIS-Gerät am Handgelenk erfasste Pulswellensignal. Das eingefügte Bild zeigt die detaillierte Wellenform einer Einzelpulswelle.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein flexibles, transparentes Tastsensorgerät basierend auf dem neuen iontronischen Sensormechanismus mit kombinierten Merkmalen von ultrahoher optischer Transparenz und hoher Empfindlichkeit entwickelt wurde. Die flexible Sensorstruktur besteht aus einer einfachen zweischichtigen Struktur, d. h. einer Ionodenschicht, die von einem mikrohalbkugelförmigen Ionengelarray bedeckt ist, und einer transparenten Elektrodenschicht zur Bildung der Sensorstruktur. Beide sind intrinsisch hochtransparent, um interne Lichtadsorption und -streuung zu verhindern , während eine RI-passende Flüssigkeit mit dem gleichen RI des ionischen Gels in den Raum zwischen den beiden Schichten gefüllt wird, um alle stark reflektierenden Luft-Feststoff-Grenzflächen zu entfernen. Es ist erwähnenswert, dass die stark hydrophobe RI-passende Flüssigkeit aufgrund des „Öl-Wasser“-Antipathieprinzips stabil mit dem hydrophilen Ionengel koexistieren kann. Mit einer solchen RI-Anpassungsstrategie könnten die Reflexionen an allen Schnittstellen innerhalb des TIS-Geräts erheblich reduziert werden, wodurch die Lichtdurchlässigkeit des Sensors auf 96,9 % verbessert würde, was unseres Wissens nach der höchste in der Literatur angegebene Wert ist. Darüber hinaus wurde ein theoretisches mechanisches Modell abgeleitet, um mithilfe der elastischen Verformung des mikrohalbkugelförmigen Arrays eine quantitative Beziehung zwischen dem Druck und der Leistung des TIS-Geräts bereitzustellen. Bemerkenswert ist, dass die Geräteempfindlichkeit durch die Steuerung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Funktionsmaterialien sowie die Anpassung der geometrischen Parameter des mikrohemisphärischen Arrays (z. B. seine Größe und Array-Dichte) auf 89,4 kPa−1 optimiert werden kann ), was drei Größenordnungen höher ist als bei herkömmlichen kapazitiven Gegenstücken. Durch die Verwendung der RI-Anpassungsstrategie hat eine solche Modifikation der Oberflächenmikrostruktur der Funktionsschnittstelle keinen Einfluss auf die optische Transparenz des Geräts, wodurch sowohl die ultrahohe Transparenz als auch die Geräteempfindlichkeit in der Einzelgerätestruktur erreicht werden. Insgesamt hat das berichtete TIS-Gerät die optische Transparenz auf der Grundlage der intrinsisch transparenten Gerätearchitektur und der RI-Anpassungsstrategie auf das optimale Niveau erweitert, während gleichzeitig die überlegene Geräteempfindlichkeit erreicht werden kann, ohne die optische Transparenz des Geräts zu beeinträchtigen das iontronische Sensorprinzip. Aufgrund dieser kombinierten Vorteile hat das TIS-Gerät ein enormes Potenzial für die aufkommenden medizinischen und industriellen Anwendungen gezeigt, darunter Mensch-Maschine-Schnittstellen sowie medizinische und Gesundheitsüberwachung, bei denen sowohl hohe Empfindlichkeit als auch hohe Transparenz erforderlich sind.

Gemischte Menge an HEMA (96 %, Hydroxyethylmethacrylat, Aladdin Reagent Company), PEGDA (durchschnittliches Mn 400, Poly(ethylenglykol)diacrylat, Aladdin Reagent Company) und EMIMOTF (98 %, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtrifluormethansulfonat, Aladdin Reagent Company) in einem Becherglas, dann wurden 0,5 Gew.-% Silan-Haftvermittler (97 %, 3-(Trimethoxysilyl) propylmethacrylat, Aladdin Reagent Company) zur Verbesserung der Haftung mit dem Substrat und 5 Gew.-% Photoinitiator (97 %, 2- Hydroxy-2-Methyl-1-phenyl-1-Porpanone, Aladdin Reagent Company), um die Polymerisation zu starten. Danach wurde die Mischung 30 Minuten lang bei 400 U/min magnetisch gerührt, um eine einheitliche Vorstufe zu erhalten. Schließlich ließ man die Mischung in eine Form fallen und bedeckte sie mit einer PET-Folie, um sie vor Sauerstoff zu isolieren, gefolgt von einer 30-sekündigen UV-Bestrahlung bei 365 nm, um das ionische Gel mit der Form der Form zu bilden.

Die Konfiguration des mikrohalbkugelförmigen Arrays wurde gemäß Literaturberichten40 auf der Grundlage des Aufschmelzens von Fotolack hergestellt. Ein Schaumstoffband mit einer Dicke von 2 mm wurde auf den Rahmen der auf Glas vorbereiteten Fotolackschablone geklebt. Dann wurde eine Mischung aus 184-Silikonkautschuk (SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer, Dow Chemical Company) und Härter (SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer Curing Agent, Dow Chemical Company) in einem Massenverhältnis von 10:1 nach Rühren und Vakuumentschäumen hergestellt Auf die Schablone gegossen und 35 Minuten lang in einem Ofen bei 100 °C ausgehärtet, um eine PDMS-Form mit einer Anordnung halbkugelförmiger Vertiefungen zu erhalten. Der gesamte Prozess zur Herstellung der PDMS-Form ist in der ergänzenden Abbildung 10 dargestellt.

Wie in der ergänzenden Abbildung 11 gezeigt, wurde als transparentes Substrat eine Antireflexionsfolie (AR) aus PET (50 μm dick, Shenzhen Shenyu Technology Co., Ltd) mit einer Lichtdurchlässigkeit von 98 % verwendet. AgNw-Tinte (SNW-0501, Guangdong Nanhai ETEB Technology Co., Ltd) wurde mit einem Mayer-Stab auf den AR-PET-Film aufgetragen, um einen Nassfilm mit einer Dicke von 10 μm zu bilden. Nach 30-minütigem Trocknen in einem Ofen bei 120 °C wurde die transparente AgNw-Elektrode hergestellt.

Zunächst wurde die transparente untere Elektrode mit einem Laserschneider (JG15S-SP-12v, ZhengYe-Technologie) in die gewünschte Form geschnitten. Anschließend wurde die ionische Vorläufermischung auf die untere Elektrode getropft und dann langsam von einer Seite zur anderen mit der PDMS-Form bedeckt. Dann wurde ein Rakel verwendet, um alle nennenswerten Blasen, die sich dazwischen befanden, vorsichtig zu entfernen. Die Vorläufermischung wurde dann 30 s lang UV-gehärtet (GGJ-ST-3000, Ling Wei). Nach dem Freilegen der PDMS-Form wurde auf der unteren Elektrode ein ionisches Gel mit einer halbkugelförmigen Anordnungskonfiguration hergestellt. Als nächstes wurde ein Rahmen aus doppelseitigem Klebstoff (Nitto 5600 mit einer Dicke von 5 μm, Nitto 5601 mit einer Dicke von 10 μm und Nitto 5603 mit einer Dicke von 30 μm) mit der gleichen Dicke des Halbkugelradius auf das Ionengel geklebt, um ihn zu verbinden die Kanten der oberen Elektroden fest. Schließlich wurde die RI-passende Flüssigkeit mit einem RI, der dem des Ionengels entsprach, zwischen die obere Elektrode und das Ionengel injiziert, um die gesamte Luft auszutreiben (in eine Vakuumkammer gegeben, um alle wahrnehmbaren Luftblasen auszutreiben) und so das TIS zu bilden Gerät, nachdem Sie den Nadelanschluss mit Epoxidkleber versiegelt haben. Der gesamte Prozess zur Vorbereitung des Einzelpunkt-TIS-Geräts ist in der ergänzenden Abbildung 12 dargestellt.

Ein Einzelpunkt-TIS-Gerät mit einer Fläche von 3 × 3 cm2 wurde auf einem beweglichen Tisch (KMTS50E/M, Thorlabs) befestigt und mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/min zu einem Dynamometer (M5–10, Mark-10) bewegt. Auf der Oberseite des Dynamometerkopfes wurde ein 1 × 1 cm2 großes Silikonkautschukkissen angebracht, um einen gleichmäßigen Druck auf den zentralen Bereich des TIS-Geräts auszuüben. Ein LCR-Messgerät (TH2829C, TongHui) wurde verwendet, um die Kapazität des Geräts mit einer Ansteuerfrequenz von 1 kHz und einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 1 V zu messen. Das Kapazitäts-Druck-Verhältnis des TIS-Geräts wurde von getestet Gleichzeitiges Aufzeichnen der vom Dynamometer gemessenen Kraft und des vom LCR-Messgerät gemessenen Kapazitätswerts.

Die Kapazität des TIS-Geräts für den Kapazitäts-Druck-Leistungstest wurde 20 s lang mit einem LCR-Messgerät (TH2829C, TongHui) gemessen. Die durchschnittliche Kapazität während 3 Zyklen wurde als Anfangskapazität des TIS-Geräts behandelt.

Das vorbereitete 1 × 1 cm2 große Ionengel mit glatter Oberfläche wurde zwischen zwei Elektroden gelegt. Mithilfe einer Translationsstufe wurde ein Druck von etwa 100 kPa auf die Struktur ausgeübt, um einen vollständigen Kontakt zwischen den Elektroden und dem Ionengel sicherzustellen. Anschließend wurde mit einem LCR-Messgerät die Kapazität der Struktur über zwei Elektroden mit einem Sinussignal von 100 bis 20.0000 Hz und einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 1 V gemessen.

Bereiten Sie das ionische Gel in einen Zylinder mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 20 mm vor. Der Zylinder wurde auf den Boden eines Einsäulen-Kraftprüfgeräts (ESM303, Mark-10 Corporation) gestellt und mit einer Geschwindigkeit von 13 mm/min zusammengedrückt. Zur Aufzeichnung der auf den Zylinder ausgeübten Kraft wurde ein Dynamometer (M5–200, Mark-10 Corporation) verwendet. Anschließend wurde die technische Spannungs-Dehnungs-Kurve des Ionengels entsprechend der aus der gemessenen Verschiebung berechneten Spannung und der aus der gemessenen Kraft berechneten Spannung aufgezeichnet. Der Young-Modul des ionischen Gels wurde somit aus der Steigung der Kurve im relativ niedrigen Dehnungsbereich ermittelt.

Die Lichtdurchlässigkeit wurde mit einem Ultraviolett-sichtbaren Spektrophotometer (Lambda 25, PerkinElmer) von 400 bis 800 nm gemessen. Die Lichtdurchlässigkeit aller Proben wurde mit Luft verglichen, mit Ausnahme der RI-passenden Flüssigkeit, die mit entionisiertem Wasser verglichen wurde.

Die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors wurde durch Antreiben eines piezoelektrischen Strahls (QDTE52–1, PANT) mit einer Rechteckwelle (Signalfrequenz beträgt 1 Hz, Spitze-zu-Spitze-Spannung beträgt 20 V) ermittelt, die von einem Signalgenerator (AFG1022, Tektronix) erzeugt wurde, um a anzulegen 1 Hz periodischer Kontaktdruck von etwa 1 kPa (gemessen mit einem Dynamometer) auf ein Einzelpunkt-TIS-Gerät von 1 × 1 cm2, und die Echtzeit-Kapazitätskurve des Geräts wurde mit einer Datenerfassungskarte (DAQ, NI USB-6361) aufgezeichnet , NI Instruments Corporation). Der Systemaufbau des Antwortratentests ist in der ergänzenden Abbildung 13 dargestellt, und die Signalausleseschaltung für ein Einzelpunkt-TIS-Gerät ist in der ergänzenden Abbildung 14 dargestellt.

Der Ablauf des Wiederholbarkeitstests ist derselbe wie der des Rücklaufquotentests. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Signalfrequenz für den Wiederholbarkeitstest 5 Hz beträgt.

Das 32 × 32 TIS-Array wurde mit Ausnahme der Elektrodenvorbereitung nach dem gleichen Verfahren wie bei der Vorbereitung des Einzelpunkt-TIS-Geräts hergestellt. Hier wurde ein UV-Laser verwendet, um die AgNW-Beschichtung auf der oberen und unteren Elektrode zu schneiden, um das Streifenmuster zu bilden, und die Muster wurden vor dem Bonden der oberen Elektrode orthogonal ausgerichtet. Das TIS-Array wurde dann mithilfe eines FPC-Steckers über einen Bondprozess mit einem anisotropen leitfähigen Film (ACF, 50 μm dick, 3 M 9703) mit der Signalausleseschaltung verbunden.

Zunächst wurden alle Elemente durch Laserschneiden in entworfene Formen gebracht, wobei die transparente Elektrode ein Kreis mit einem Durchmesser von 3,7 mm war, ACF und doppelseitiger Kleber (Nitto 5601) kreisförmige Ringe mit einer Breite von 0,3 mm und flexibles Kupfer waren Der beschichtete Polyimidfilm (CPF, hergestellt durch Aufsprühen einer 1 μm dicken Kupferschicht auf einen 25 μm dicken Polyimidfilm) war ein kreisförmiger Ring mit einem Schwanz zum Anschließen der Ausleseschaltung. Anschließend wurden alle Elemente in das TIS-Gerät mit einer Schichtstruktur aus unterer transparenter Elektrode, ACF, flexiblem CPF, doppelseitigem Kleber, flexiblem CPF, ACF und oberer transparenter Elektrode zusammengebaut, wobei ACF zum Verbinden transparenter Elektroden und verwendet wurde CPF. Vor dem Abdecken der oberen Elektrode wurde das vorbereitete ionische Gel mit einer mikrohalbkugelförmigen Array-Struktur auf der oberen Oberfläche auf die untere Elektrode gelegt und anschließend eine RI-passende Flüssigkeit injiziert. Schließlich wurde das TIS-Gerät nach dem Abdecken der oberen Elektrode mit optisch klarem Klebstoff (K-3022, Kafuter) auf der Oberseite eines Endoskops integriert. Der gesamte Vorbereitungsprozess ist in der ergänzenden Abbildung 16 dargestellt.

Das in das TIS-Gerät integrierte Endoskop wurde auf einem beweglichen Tisch (KMTS50E/M, Thorlabs) befestigt und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min auf die Proben (Pankreasmodell oder verschiedene Gewebe auf einer Plattform) zu. Die Signale des TIS-Geräts während des gesamten Prozesses wurden von der in der ergänzenden Abbildung 14 gezeigten Ausleseschaltung für Einzelpunkt-TIS-Geräte aufgezeichnet und von der Labview-Software in Echtzeit angezeigt. In der Ausleseschaltung gibt ein Signalgenerator (AFG1022, Tektronix) ein sinusförmiges Signal (1 kHz und 1 V im Spitze-zu-Spitze-Wert) an das TIS-Gerät aus und verstärkt dieses Signal anschließend mithilfe eines Operationsverstärkers mit einstellbarem Rückkopplungswiderstand. und schließlich vom DAQ gelesen. Die Fotos des Testaufbaus für die endoskopische Inspektion mit taktiler Abtastung sind in der ergänzenden Abbildung 17 dargestellt.

Eine Probe eines duktalen Pankreaskarzinoms wurde aus dem Bauchspeicheldrüsenkopf eines Patienten entnommen, der sich im Shenzhen Second People's Hospital of China einer Bauchspeicheldrüsenkrebsoperation unterzogen hatte. Der nicht berufstätige Patient ohne Krankheitsgeschichte wurde mit Zustimmung für diese Studie rekrutiert und gemäß den genehmigten Protokollen des Institutional Review Board des Shenzhen Second People's Hospital und des Shenzhen Institutes of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (SIAT-YSB-2021-) behandelt. Y0213).

Das TIS-Gerät zur Gesundheitsüberwachung mit einem Durchmesser von 1 cm wurde nach dem Verfahren zur Herstellung eines Einzelpunkt-TIS-Geräts vorbereitet. Nach dem Aufkleben auf die Haut mit doppelseitigem Klebeband (Nitto 5603) wurden die Signale des TIS-Geräts mithilfe der Ausleseschaltung für das Einzelpunkt-TIS-Gerät aufgezeichnet.

Eine Probe eines duktalen Pankreaskarzinoms wurde aus dem Bauchspeicheldrüsenkopf eines Patienten entnommen, der sich im Shenzhen Second People's Hospital of China einer Bauchspeicheldrüsenkrebsoperation unterzogen hatte. Der nicht berufstätige Patient ohne Krankheitsgeschichte wurde mit Zustimmung für diese Studie rekrutiert und gemäß den genehmigten Protokollen des Institutional Review Board des Shenzhen Second People's Hospital und des Shenzhen Institutes of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (SIAT-YSB-2021-) behandelt. Y0213).

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den Autoren erhältlich. Die Autoren erklären, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel und in der entsprechenden ergänzenden Materialdatei verfügbar sind.

Der Code, der die Ergebnisse dieses Dokuments und die anderen Ergebnisse dieser Studie unterstützt, ist auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom Joint Research Fund for Overseas Chinese Scholars and Scholars in Hong Kong and Macao (51929501), der National Natural Science Foundation of China (62001461), dem Program for Guangdong Innovative and Entrepreneurial Teams (2016ZT06D631) und der Natural Science unterstützt Gründung der Provinz Guangdong (2019A1515010796), des Shenzhen Engineering Laboratory of Single-molecule Detection and Instrument Development (XMHT20190204002), des Shenzhen Fundamental Research Program (JCYJ20180305180923182 und JCYJ20170413164102261). Die Autoren danken Xiuli Xu, Zongyin Hu von den Shenzhen Institutes of Advanced Technology, der Chinese Academy of Science und Hong Ye von Tacsense. Inc. für ihre Unterstützung bei den Hardware- und Softwaredesigns des TIS-Systems. Die Autoren danken außerdem Prof. Qi Tong und Prof. Yi Gong von der Fudan-Universität für ihre Unterstützung bei der mechanischen theoretischen Analyse des TIS-Geräts sowie Prof. Yuhang Chen und Prof. Baoqing Li von der University of Science and Technology of China für ihre Unterstützung zur optischen Theorieanalyse des TIS-Geräts.

Abteilung für Materialwissenschaften, Fudan-Universität, Shanghai, 200433, Volksrepublik China

Jie Tang & Zhenguo Yang

Bionic Sensing and Intelligence Center (BSIC), Institut für Biomedizin und Gesundheitstechnik, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shenzhen, Guangdong, 518055, Volksrepublik China

Jie Tang, Chao Zhao, Qian Luo und Yu Chang

Shenzhen Engineering Laboratory für Einzelmoleküldetektion und Instrumentenentwicklung, Shenzhen, Guangdong, 518055, Volksrepublik China

Qian Luo, Yu Chang & Tingrui Pan

C-MIND Center for MicroMedical Instruments and Devices, Universität für Wissenschaft und Technologie von China, Suzhou, 215123, Volksrepublik China

Tingrui-Pfanne

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TP, YC und ZGY konzipierten die Idee, leiteten die Studie und unterstützten das Projekt. JT und YC stellten die Geräte her, charakterisierten sie und analysierten die Daten. CZ und QL führten die Experimente mit menschlichem Gewebe durch. JT war an der Erstellung des Manuskripts beteiligt, TP und YC überarbeiteten das Manuskript.

Korrespondenz mit Yu Chang, Zhenguo Yang oder Tingrui Pan.

YC und TP sind an TacSense, Inc. beteiligt, das iontronische Sensortechnologien für medizinische und industrielle Anwendungen entwickelt.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tang, J., Zhao, C., Luo, Q. et al. Ultrahochtransparentes und druckempfindliches iontronisches Gerät für taktile Intelligenz. npj Flex Electron 6, 54 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00162-y

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Eingegangen: 02. November 2021

Angenommen: 30. März 2022

Veröffentlicht: 30. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00162-y

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