4次元分解能を有するピエゾ抵抗型Eスキンとしての非対称アルベオレートPMMA/MWCNTフィルムと運動方向と気流量の検出への応用

Unsymmetrical Alveolate PMMA/MWCNT Film as a Piezoresistive E-Skin with Four-Dimensional Resolution and Application for Detecting Motion Direction and Airflow Rate.

• Duo Chen
• Zhen Liu
• Yang Li
• Dehui Sun
• Xiaoyan Liu
• Jinbo Pang
• Hong Liu
• Weijia Zhou

抄録

人工知能やヒューマンマシンインタラクションにおいて、高い空間分解能を持つフレキシブルでピエゾ抵抗性のある電子スキン（Eスキン）が強く望まれている。本研究では、リアルタイムの触覚センシングと空間分解能を実現できるリソグラフィーを用いてピエゾ抵抗層をパターニングする簡単な手法を開発した。ポリメチルメタクリレート(PMMA)/マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)をベースとしたハニカムホールアレイを有するピエゾ抵抗層をZnOナノロッドアレイを用いたリバースモールドを用いて作製した。このデバイスは、低圧領域(<10kPa)で88kPaの超高感度を示し、導電性ハニカム構造により110msの高速応答を実現した。E-スキンを用いたPMMA/MWCNTハニカムアレイフィルムは、穴壁の接触面積を変化させることで、曲げや振動のモニタリングに応用できる。4×4のピエゾ抵抗マトリクスをリソグラフィーにより作製し、16画素の触覚用E-skinを作製したところ、圧点の空間分解能と時間分解能を含む4次元分解能を実現した。また、歯槽型PMMA/MWCNT膜の非対称構造を利用することで、動きやガスの流れの方向や速度の検出を実現した。得られた圧抵抗型非対称触覚センサは、3次元空間と4次元のタイムラインを含む4次元の分解能を実現しており、今後のヒューマン・マシン・インタラクションへの応用を可能にします。

Flexible and piezoresistive electronic skins (E-skins) with high spatial resolution are highly desired in artificial intelligence and human-machine interactions. In this study, a simple method is developed to pattern a piezoresistive layer using lithography, which can realize real-time tactile sensing and spatial resolution. The piezoresistive layer with a honeycomb hole array based on polymethyl methacrylate (PMMA)/multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) was fabricated using a reverse mold with a ZnO nanorod array. The device exhibits an ultrahigh sensitivity of 88 kPa in the low-pressure regime (<10 kPa) and a fast response time of 110 ms owing to the conductive honeycomb structure. The E-skin-based PMMA/MWCNT honeycomb array film can be applied to monitor bending and vibration by changing the contact area of the hole walls. A 4 × 4 piezoresistive matrix was fabricated by lithography for a 16-pixel tactile-sensing E-skin, which realizes a four-dimensional resolution including the space and time resolutions of pressure points. In addition, by using the unsymmetrical structure of an alveolate PMMA/MWCNT film, the detection of direction and velocity for the movement and gas flow were realized. The obtained piezoresistive and unsymmetrical tactile sensor realized a four-dimensional resolution, including a three-dimensional space and a fourth dimension of timeline, which enables future applications of human-machine interactions.