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

1.本发明属于摩擦纳米发电机与传感器技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.进一步的，所述传感器的传感原理为：
8.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；
9.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。
10.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：
11.(1)mxene溶液的制备
12.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；
13.(2)石墨相氮化碳粉末的制备
14.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；
15.(3)mxene棉纺电极的制备
16.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；
17.(4)硅胶/g-c3n4层的制备
18.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；
19.(5)硅胶/聚乙烯醇层的制备
20.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；
21.(6)硅胶基柔性触觉感知传感器的制备
22.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。
23.进一步的，
24.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。
25.进一步的，
26.所述(2)中三聚氰胺和脲的质量比为1:1。
27.进一步的，
28.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。
29.进一步的，
30.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。
31.一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，
32.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；
33.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。
34.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。
35.进一步的，
36.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；
37.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％。
38.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：
39.(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。
40.(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。
41.(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。
附图说明
42.图1为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器的制备工艺图；
43.图2为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器的照片；
44.图3a为本发明实例g-c3n4的sem图像；
45.图3b为本发明实例mxene的sem图像；
46.图3c、d为本发明实例mxene棉纺电极的sem图像；
47.图4为本发明实例mxene和g-c3n4的x射线衍射(xrd)图；
48.图5为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器的柔韧性测试图；
49.图6a为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器的运行机理图；
50.图6b为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器的各层功能示意图；
51.图7a本发明实例在1hz、2hz、4hz、8hz频率下与pi接触分离产生的电压输出特性图；
52.图7b本发明实例在1hz、2hz、4hz、8hz频率下与pi接触分离产生的电流输出特性图；
53.图7c本发明实例在1kpa、2kpa、3kpa、4kpa、5kpa、6kpa压力下与pi接触分离产生的电压输出特性图；
54.图7d本发明实例在1kpa、2kpa、3kpa、4kpa、5kpa、6kpa压力下与pi接触分离产生的电流输出特性图；
55.图7e本发明实例在8hz和5kpa条件下，连续运行2000s的重复性测试图；
56.图8为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器与微控制器(mcu)、继电器组装的无线智能开关的电路图；
57.图9a为本发明实例基于硅胶基柔性触觉感知传感器的无线智能开关腕带的实物照片；
58.图9b为本发明实例模拟微智能家居的实物照片；
59.图10a为本发明实例基于硅胶基柔性触觉感知传感器的智能云端实时检测平台电脑端界面；
60.图10b为本发明实例基于硅胶基柔性触觉感知传感器的智能云端实时检测平台手机端界面；
61.图11a为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器与机器人机械手、机器学习算法相结合用于球类识别场景下的简易示意图；
62.图11b为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器与四种不同球类(弹力球、网球、曲棍球和棒球)接触产生的电压信号图；
63.图12为本发明实例cnn-gru算法识别流程图；
64.图13a为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器与android app结合处理信号的过程示意图；
65.图13b为本发明实例cnn-gru的编译和训练的流程图；
66.图14a为本发明实例对训练集的预测类别和实际类别的混淆矩阵；
67.图14b为本发明实例对训练集的预测类别和实际类别的训练历史图；
68.图15为本发明实例硅胶基柔性触觉感知传感器与机器人机械手、机器学习算法相结合用于球类识别场景下的实物图。
具体实施方式
69.下面结合附图对其具体实施方式作进一步阐述。
70.如下实施例中的试剂和仪器均为常规实验试剂和仪器。
71.实施例1：
72.一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。通过旋涂法将mxene棉纺电极、硅胶/g-c3n4层和硅胶/pva层自下而上叠加在一起制作得到具有柔性硅胶基复合摩擦层的触
觉感知传感器。制得基于摩擦纳米发电机的触觉感知传感器的实物图如图2所示。
73.基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器表征分析：
74.扫描电子显微镜(sem，hitachi s-4800，japan)用于表征g-c3n4、mxene和mxene棉纺电极的微观结构。x射线衍射(xrd，rigaku miniflex 600)用于获得g-c3n4和mxene的x射线衍射图。
75.图1a为g-c3n4的sem图像，可以清楚的看到具有多个堆叠层的褶皱层结构，表明了g-c3n4的成功制备。图1b展示了mxene的sem图像，显示了mxene是松散的、多层的、手风琴状结构，表明了mxene的成功制备。图3c中的sem图像展示了mxene棉纺电极的微观图，结果表明mxene棉纺电极的表面明显附着了mxene。图3d通过sem进一步展示了mxene附着在在单根mxene棉纺电极表面上，表征了mxene棉纺电极的成功制备。图4展示了用xrd对mxene和g-c3n4的晶体结构进行了研究，mxene的(002)峰和g-c3n4的(002)峰进一步验证了二者的成功制备。如图5，直观的来看硅胶基柔性触觉感知传感器可以被任意扭曲、弯曲、握住和卷曲。这表明硅胶基柔性触觉感知传感器具有良好的柔韧性。
76.硅胶基柔性触觉感知传感器的传感器原理：
77.硅胶基柔性触觉感知传感器的传感机理如图6a所示，其主要是基于接触带电和静电感应的耦合效应。当硅胶基柔性触觉感知传感器与物体(这里采用聚酰亚胺薄膜作为机理讲解物体)接触时(图6a-i)，负电荷积累在聚酰亚胺薄膜(pi)的表面上，而正电荷积累在硅胶/pva层的表面上。这是因为前者比后者具有更强的电子亲和力。同时，表面上的摩擦电荷将因电场和电荷的浓度梯度而递减。然后在硅胶基柔性触觉感知传感器与pi分离时(图6a-ii)，相反的电荷彼此分离，两个电极之间形成了电位差。在这个由电位差形成的电场的驱动下，产生电信号。当完全分离时(图6a-iii)，整个装置电荷平衡，不会产生电信号。当他们再次接近时(图6a-iv)，由于层间距离的减小，mxene棉纺电极具有更高的电势，这使得电子流回底部棉纱电极形成反向电信号。因此通过周期性接触和分离，装置可以在这种静电感应过程中产生交变电输出信号。这里应该强调的是，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。因此，总摩擦电荷增加，从而硅胶基柔性触觉感知传感器的发电性能提高。硅胶基柔性触觉感知传感器的电荷分布以及硅胶基柔性触觉感知传感器各层的功能如图6b所示。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。
78.硅胶基柔性触觉感知传感器的电输出性能：
79.为了测试硅胶基柔性触觉感知传感器的电输出性能，我们制作了面积为5
×
10cm2的硅胶基柔性触觉感知传感器来研究频率与压强对输出电性能的影响。如图7a、b所示，通过将恒定压强(5kpa)的施加频率从1hz增加到8hz来测试频率对硅胶基柔性触觉感知传感器的影响。我们发现在所有频率下，硅胶基柔性触觉感知传感器的开路电压均维持在310v，短路电流从3μa增加到16μa，这表明硅胶基柔性触觉感知传感器具有可靠的接触感知能力和电输出性能。如图7c、d，在1hz的频率下施加压强从1kpa增加到6kpa时，硅胶基柔性触觉感知传感器的输出性能逐渐提高，而超过5kpa时输出性能趋于稳定。这使得硅胶基柔性触觉感知传感器能够更加有效的检测到更小的压强。为了确定硅胶基柔性触觉感知传感器的功能稳定性，我们通过2000秒的循环接触分离实验来验证硅胶基柔性触觉感知传感器的长
期稳定性(图6e)。实验表明硅胶基柔性触觉感知传感器的输出电压在近16000次循环中保持稳定，输出电压没有减弱。因此硅胶基柔性触觉感知传感器具有良好的稳定输出和出色的耐久性。
80.一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器的制备方法，制备过程示意图如图1所示，按照一下步骤进行：
81.(1)将2g氟化锂添加到20ml 9mol/l浓度的盐酸溶液中并搅拌，然后将2g钛碳化铝粉末缓慢添加到上述溶液中，并在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；
82.(2)将三聚氰胺和脲按质量比1:1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；
83.(3)将棉纱在99℃水浴下用1wt％naoh处理30分钟，以去除杂质来提高棉纱的吸附能力。将处理好的棉纱取出并置于50℃真空中进行干燥5小时，将干燥后的棉纱浸于制备好的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；
84.(4)通过超声处理，将制备好的质量分数为1.6wt％的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。将硅胶固化剂按质量比1:1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小时得到厚度为200-300μm的硅胶/g-c3n4层；
85.(5)通过磁力搅拌和超声处理将质量分数比10wt％的pva粉末均匀分散在硅胶基体中，将硅胶固化剂加入到混合物(硅胶基体与硅胶固化剂质量比为1:1)中并搅拌均匀，随后将混合物旋涂在硅胶/g-c3n4层表面，最后置于25℃真空中干燥4小时得到200-300μm的硅胶/pva层。
86.(6)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。
87.实施例2：
88.一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，应用于智能家居的远程控制开关，结合云端物联网实现远程控制和监测各类电子电气设备。
89.图8显示了硅胶基柔性触觉感知传感器与微控制器(mcu)、继电器结合，用于智能家居的远程控制开关的基本电路图。
90.图9a显示了基于硅胶基柔性触觉感知传感器的无线智能开关腕带的实物照片，其可佩戴于人体手腕上精准的通过触摸硅胶基柔性触觉感知传感器来控制不同的智能家居设备。
91.图9b显示了一个模拟智能家居平台的搭建用于测试无线智能开关腕带。
92.图10a、b显示了将硅胶基柔性触觉感知传感器与物联网云端相结合的智能语段实时检测平台的界面图，其可在电脑端和手机端进行实时信息传输和云端监测。
93.实施例3：
94.基于硅胶基柔性触觉感知传感器的应用，通过与机械手的结合对四种球类的触摸电信号进行测测试，利用cnn-gru算法，成功识别触摸球的类型，识别准确率高达96.8％，这表明该器件可作为机器人触觉感知传感器应用于机器人触觉感知、智能分拣系统、人机交互领域中。
95.图11a展示了将硅胶基柔性触觉感知传感器与机械手、机器学习算法结合，以对不同球类进行分类。将机械手食指转配硅胶基柔性触觉感知传感器来识别和分类不同的球类。
96.图11b显示了四种球类(弹力球、网球、曲棍球和棒球)与机械手指接触时，硅胶基柔性触觉感知传感器产生的电压信号。这四种电压信号高度相似，但仔细检查信号峰值的轮廓发现了一些可重复的差异，例如电压信号中正负峰值的比例以及正负峰值之间的间隔等。虽然差异很小但可重复的特征可以被用作机器学习分类的基础。
97.图12显示了cnn-gru的识别流程图。首先是通过传感器采集不同球类的触摸电压信号。为了标准化输入信号，在模型开始前对数据使用了批处理归一化。模型优化器为默认参数的adam，损失函数为二元交叉熵。收集了四组不同球类的触摸电压信号，包括弹力球、网球、曲棍球和棒球。每组包含500个信号，长度为80个采样点。总共有2000个信号被打乱，然后分裂为训练集(1600)和验证集(400)。在识别流程图中，模型接收一个长度为80个采样点的信号，最终给出相关材料的特征数值。模型主要由一个卷积神经网络(cnn)和两个门控循环单元(gru)组成，其中cnn层来提取局部特征，gru单元来更好的捕获数据中的长期依赖关系。gru单元由复位门和更新门组成，使gru单元能够记住许多较早时间戳的信息，并根据从先前状态获得的信息预测当前状态。这些门帮助gru确定何时将过去的信息发送到未来状态。gru单元可帮助模型提取活动数据中的长期时间依赖关系。
98.图13a展示了硅胶基柔性触觉感知传感器与android app结合处理信号的过程示意图。首先，硅胶基柔性触觉感知传感器采集的信号通过蓝牙设备传输到android app上。然后通过我们预先部署在android app上的预训练的cnn-gru模型对这些采集信号进行识别预测，得出该球类型。
99.图13b展示了cnn-gru的编译和训练的流程图。首先接收四种球类的触摸电压信号，并将所有信号分为训练集和验证集两类。然后通过对训练集信号的学习和训练完善cnn-gru模型。最后通过验证集对模型的准确性进行验证。
100.图14a展示了对训练集的预测标签与真实标签的混淆矩阵。结果表明该系统能够实现对不同球类的识别，平均预测准确率高达96.8％。
101.图14b展示了对训练集的预测类别和实际类别的训练历史图。结果表明经过30次的训练后，模型的精度收敛到接近1。
102.图15展示了传感器与机器人机械手、机器学习算法相结合用于球类识别场景下的实物图。通过5次触摸获得的电压信号，部署预训练模型的android app能够准确地预测接触球的类型。然后，由android app控制机械手准确地将球送到相应的篮子中。
103.基于硅胶基柔性触觉感知传感器的应用说明了cnn-gru算法辅助的基于硅胶基柔性触觉感知传感器在机器人机械手、机器人触觉感知、智能分拣系统、人机交互领域的巨大应用潜力。
104.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的
普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的硅胶基柔性触觉感知传感器，其特征在于：所述传感器的传感原理为：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；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。3.根据权利要求1-2任一项所述的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，其特征是，制备步骤包括：(1)mxene溶液的制备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；(2)石墨相氮化碳粉末的制备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；(3)mxene棉纺电极的制备将棉纱在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；(4)硅胶/g-c3n4层的制备通过超声处理，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；(5)硅胶/聚乙烯醇层的制备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；(6)硅胶基柔性触觉感知传感器的制备通过旋涂法将硅胶/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。4.根据专利要求3所述的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，其特征是：
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。5.根据专利要求3所述的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，其特征是：所述(2)中三聚氰胺和脲的质量比为1:1。6.根据专利要求3所述的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，其特征是：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。7.根据专利要求3所述的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，其特征是：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。8.一种根据专利要求1-2任意一项所述的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，或，所述传感器通过权利要求3-7任一项的方法制备，其特征在于：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；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。9.根据专利要求8所述的应用，其特征是：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。10.根据专利要求8所述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，其特征是：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；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％。

技术总结
本发明属于摩擦纳米发电机与传感器技术领域，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。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。本发明将摩擦纳米发电机应用于触觉感知传感器，所述硅胶基柔性触觉感知传感器不仅可以用于智能家居的远程控制开关，还可以将该触觉感知传感器与卷积门控循环单元机器学习算法结合实现机器人机械手对不同物体的实时识别，在智能家居、机器人触觉感知、智能辅助分拣系统、人机交互等方面具有重要的应用潜力。面具有重要的应用潜力。面具有重要的应用潜力。


技术研发人员：张冬至 毛瑞源 张昊 董炎 周兰娟 杨春卿
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/12