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Sep 03, 2023

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npj Flexible Electronics

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 54 (2022) Citare questo articolo

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I dispositivi di rilevamento tattile emergenti imitano le funzioni biologiche della meccanoricezione umana. Introducendo la caratteristica della trasparenza ottica, si può portare a capacità combinate di intelligenza tattile e visiva in un unico sistema. Tuttavia, è difficile realizzare livelli elevatissimi di trasparenza ottica e sensibilità del dispositivo in un'unica struttura, poiché i metodi ampiamente utilizzati per il miglioramento della sensibilità, come l'aumento della rugosità interfacciale, possono ridurre ulteriormente la trasparenza. Utilizzando un materiale ionico trasparente con topologie superficiali sintonizzabili, oltre a introdurre una strategia di corrispondenza dell'indice di rifrazione, abbiamo proposto un dispositivo di rilevamento ionico trasparente (TIS) basato sul meccanismo di rilevamento ionico, offrendo contemporaneamente un'elevata sensibilità combinata del dispositivo (83,9 kPa− 1), con trasparenza ottica ultraelevata (96,9%), il valore più alto riportato in letteratura. Beneficiando delle loro prestazioni complete in termini di rilevamento e caratteristiche ottiche, i dispositivi TIS racchiudono un enorme potenziale per le interfacce uomo-macchina per applicazioni industriali e mediche.

La sensazione tattile, che rappresenta un'importante funzione percettiva e di raccolta dell'intelligenza per gli esseri umani, è stata un argomento attivo di ricerca e sviluppo negli ultimi anni1,2. Per ottenere le informazioni tattili desiderate, sono state spesso ricercate tecnologie di rilevamento tattile flessibili per realizzare questo processo di conversione da analogico a digitale, che simula le funzioni biologiche della percezione tattile3. In quanto caratteristica prestazionale chiave, la sensibilità del dispositivo è un fattore importante da considerare per la progettazione del sensore tattile, valutando la capacità di rilevamento alle variazioni minime di pressione risolvibili3. Grazie all'elevata sensibilità del dispositivo, il sensore tattile ha consentito applicazioni specifiche, come il riconoscimento del tocco e dei gesti e il rilevamento del segnale fisiologico4. La recente tendenza tecnologica nella fusione dei sensori e nel rilevamento multimodale fornisce ulteriori incentivi per abilitare funzionalità speciali agli schemi esistenti. A tal fine, l'integrazione delle proprietà ottiche nei sensori tattili potrebbe portare a maggiori funzionalità e opportunità nelle applicazioni di intelligenza sia tattile che visiva5, ad esempio nell'imaging medico, nel monitoraggio sanitario e nelle skin elettroniche6. Nello specifico, l'endoscopio tattile con feedback di forza trasparente montato sulla lente dell'obiettivo potrebbe rilevare e segnalare un potenziale contatto fisico con tessuti e organi interni e, di conseguenza, può fungere da caratteristica di sicurezza desiderabile o da segnali di guida alla navigazione per scopi clinici. interventi diagnostici e chirurgici di cateterizzazione7. Inoltre, i sensori tattili altamente trasparenti e sensibili possono essere introdotti nell'elettronica indossabile, da cui è possibile rilevare in modo continuo molteplici segnali fisiologici, come forme d'onda della pressione arteriosa, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria e pressione sanguigna, pur mantenendo la sua ottica impercettibilità8. Inoltre, l’interfaccia uomo-macchina trasparente potrebbe offrire un’esperienza utente particolare introducendo la capacità di rilevamento della forza 3D in un touch screen convenzionale, consentendo il riconoscimento delicato degli oggetti e il feedback tattile per la realtà aumentata e le applicazioni di gioco9. Tuttavia, rimane difficile per gli attuali sensori tattili flessibili trasparenti raggiungere un livello ultraelevato di trasparenza ottica e sensibilità del dispositivo in un unico dispositivo.

Tecnicamente parlando, la trasmissione della luce riflette il livello complessivo di assorbimento e diffusione della luce nel mezzo, nonché la riflessione della luce sull'interfaccia10,11. Per migliorare la trasmissione della luce del dispositivo di rilevamento tattile, la ricerca attuale si concentra principalmente sulla modifica della trasparenza ottica intrinseca dei materiali da costruzione. Sebbene la perdita ottica dovuta all'assorbimento e alla diffusione possa essere ridotta al minimo selezionando e modificando attentamente il materiale stesso con la più alta trasmittanza luminosa del 99,94% riportata12, è ancora difficile raggiungere la trasmittanza complessiva del dispositivo ad un livello elevato (ad esempio, superiore a 95%), a causa dei riflessi della luce presentati su più interfacce di materiale all'interno della struttura del sensore. In particolare, la perdita ottica interfacciale diventa considerevolmente grave quando si incontra una topologia interfacciale grossolana. Pertanto, un ulteriore miglioramento della trasparenza del dispositivo richiede approcci alternativi per affrontare la perdita ottica causata da tali riflessi di luce interfacciali. Affinché i dispositivi di rilevamento tattile ottengano una sensibilità desiderabilmente elevata, è fondamentale progettare un'interfaccia con un'elevata area superficiale per il rilevamento13. Pertanto, sono state ulteriormente studiate molteplici strategie intriganti, come strutture piramidali, microaghi, nanofibrose e bioispirate, al fine di creare una configurazione "grossolana" dello strato funzionale o dell'elettrodo14. Tali topologie interfacciali possono portare ad una migliore sensibilità del dispositivo in quanto genera un livello di deformazione più apprezzabile o una maggiore area di contatto superficiale sotto gli stessi carichi esterni15. Sfortunatamente, queste modifiche potrebbero aver influenzato negativamente la trasparenza complessiva del dispositivo16, che viene valutata principalmente dalla trasmittanza luminosa5. Pertanto, la trasparenza ottica dei sensori tattili, in particolare quella dei sensori capacitivi, ha spesso dimostrato un andamento inverso legato alla sensibilità del dispositivo17.