Stretchable Triboelectric Multimodal Tactile Interface Exclusively Recognizing Various Dynamic Stimuli and Its Applications

Abstract

In this paper, multifunctional sensors capable of distinguishing different stimuli are introduced, which is inspired by human mechanoreceptors. Human cutaneous tactile receptors are deformable, and can sense temperature, pressure, shear force, and rate of stimuli. However, they can distinguish various stimuli. In addition, the tactile potential is self activated when external stimulation is exerted and the potential is transmitted to the nerve system, resembling the wake-up function in electronic devices. Through mimicking such characteristics of the human tactile receptors, I designed a stretchable triboelectric nanogenerator (TENG) for the stimuli-responsive potential generator. The TENG device has a multilayer structure independently recognizing lateral strain by the sliding mode, touch by the contact mode, the relative moving distance, and the relative moving velocity. In addition, the device design allows simultaneous sensing of strain and touch without signal interference. The self-triggered potentials generated by various body motions such as touching, joint bending, and the combinations turn on a sleeping microcontroller unit (MCU) and are used as the distinct motion signals. This study demonstrates a wearable low-power remote tactile interface that controls the 3D movements of a mobile device (drone) by the body motions.

인간의 피부 촉각 수용기는 변형 가능하고 온도, 압력, 인장, 전단력 및 자극의 속도 등을 측정할 수 있지만 동시에 이를 구별 할 수 있다. 또한, 생체 시스템에서 활동 전위는 역치 이상의 외부 자극이 가해지면 스스로 활성화되어 진동수의 형태로 빠르고 효율적으로 신호를 전달할 수 있다. 이는 전자 장치의 웨이크 업 기능과 유사하며 신호 전달의 측면에서 유리하다. 본 연구에서는 인간 촉각 수용체의 이러한 특성을 모방한다. 우리는 자극에 반 응하는 전위 발생기를 연신성 마찰 전기 나노 발전기 (TENG)의 형태로 설계했다. 전자기 차폐현상과 구조적인 물질 설계를 통해 본 TENG 장치는 슬라이딩 모드, 접촉 모드에 의 한 압력, 인장 및 이동 속도를 신호 간섭 없이 독립적으로 인식할 수 있다. 촉각, 관절 굽힘 및 조합과 같은 다양한 신체 동작에 의해 생성된 전위는 효율적인 에너지 소모를 위해 수면 상태의 마이크로 컨트롤러 유닛 (MCU)을 켜는 스위치로써의 역할을 수행함과 동시에 자극의 정량적인 측정을 가능하게 한다. 이 연구는 착용 할 수 있는 저전력 원격 촉각 인터페이스에서 신체 움직임으로 모바일 장치 (무인 항공기)의 3D 움직임을 제어 가능함을 보여준다. 장치의 안정성 시험은 반복적인 스트레칭 및 접촉에 의해 수행됐는데, 실내 테 스트는 매우 안정적이었고 마찰에 의한 마모 또한 적은 것을 확인할 수 있었다. TENG 기 반 장치의 성능은 습도, 온도, 외부 전기장 등에 영향을 받을 수 있다. 습도의 영향을

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테스트하지는 않았지만, 소수성 물질로 장치를 밀폐시키는 것으로 간단히 해결할 수 있 다. 또한, 외부 전기장의 간섭은 적절한 차폐를 통해 최소화할 수 있다. 하지만 섭씨 300도 이상의 온도를 가해줬을 때, 정전기 효과가 현저히 줄어드는 현상이 보고되고 있 고 이는 TENG가 센서로 쓰일 때 신호의 안정성을 저해할 수 있는 요인이 된다. 이러한 외부 요인들에 의해 변동 가능한 감지 신호를 안정되게 유지하는 것은 또 다른 과제이며 물질 개발, 적절한 응용분야 모색 등의 후속 연구가 필요하다.