中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，哈工大（深圳）胡泓教授團隊聯(lián)合香港城市大學(xué)楊征保教授團隊提出了一種基于壓電薄膜、具有行+列電極結構的觸覺(jué)傳感器陣列，相關(guān)成果以《Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli》（DOI：doi.org/10.1002/advs.202002817）為題發(fā)表于《Advanced Science》，林偉康和王標為共同第一作者。這項研究為觸覺(jué)傳感器設計提供了一種新的策略，有望惠及電子皮膚、健康監測、動(dòng)物運動(dòng)檢測和機器人等領(lǐng)域。
近年來(lái)，柔性電子皮膚一直是學(xué)術(shù)界和業(yè)界的熱門(mén)話(huà)題，其中用于模仿人體皮膚功能的仿生觸覺(jué)傳感器是研究的重點(diǎn)之一。觸覺(jué)傳感器能對外界的應力刺激產(chǎn)生對應的電信號，廣泛應用在人工智能、人機交互、生物信息檢測等領(lǐng)域。深入了解人體皮膚的感知原理，是設計仿生觸覺(jué)傳感器的重要前提。據了解，人體皮膚是一種非?！皬姶蟆钡挠|覺(jué)傳感器，它可以同時(shí)檢測各種刺激的強度和模式，可以分辨出按壓、敲擊和彎曲，這主要歸因于四個(gè)機械感受器（SA-I，II和FA-I，II）分布在人體皮膚的不同區域，機械感受器接收外部刺激并將其轉換為電子信號，這四種受體的綜合信號由大腦進(jìn)行分析，進(jìn)而得到物體大小、形狀和質(zhì)地等信息。
目前，柔性觸覺(jué)傳感器陣列在應用上面臨著(zhù)許多挑戰?，F有的觸覺(jué)傳感器陣列往往只具有單一功能，同時(shí)大面積、高分辨率的傳感器陣列需要大量的電極引線(xiàn)。兩支團隊本次提出的觸覺(jué)傳感器陣列，可以實(shí)時(shí)感測和區分各種外部刺激的大小、位置和模式，包括輕微觸碰、按壓和彎曲等。與此同時(shí)，其獨特的設計克服了其他壓電傳感器中存在的串擾問(wèn)題。壓力測試和彎曲測試表明，本次提出的觸覺(jué)傳感器陣列具有高靈敏度（7.7 mV / kPa），長(cháng)期耐用性（80,000個(gè)循環(huán)周期）和快速響應時(shí)間（10 ms）的特征。觸覺(jué)傳感器陣列還顯示出卓越的可擴展性和易于大規模制造的能力。
“該項研究主要具有三大創(chuàng )新點(diǎn)?！?胡泓介紹說(shuō)，多功能觸覺(jué)傳感器陣列在測量壓力、彎曲半徑和彎曲方向的同時(shí)，還可以實(shí)時(shí)區分外部刺激的模式，實(shí)現了多種測量模式的自動(dòng)解耦。同時(shí)，傳感器陣列采用橫縱電極結構，將電極引線(xiàn)數量由n×m降低至n+m，極大降低了制作成本和難度。此外，該項研究還解決了橫縱電極結構在壓電傳感器陣列中的信號串擾問(wèn)題。
圖1. 基于皮膚啟發(fā)的觸覺(jué)傳感器陣列示意圖。（a）傳感器陣列的多層結構設計，從上到下依次為保護層、上感知層、隔離層、下感知層、保護層。（b）傳感器陣列電極引線(xiàn)。（c）觸覺(jué)傳感器陣列系統實(shí)時(shí)分辨不同模式刺激的示意圖。觸覺(jué)傳感器陣列將外界刺激轉換為電信號，電信號經(jīng)過(guò)信號處理后可以實(shí)時(shí)判斷外界刺激的大小和模式，進(jìn)而用于外部設備。
圖2.不同刺激模式下觸覺(jué)傳感器陣列的工作機理。（a）正壓力刺激模式的示意圖（b）上感知層和下感知層在正壓力下的應力分布。（c）彎曲刺激模式的示意圖。（d-g）上感知層的應力隨著(zhù)彎曲角度的增大而減小，而下感知層的情況則呈現相反的趨勢。兩層的應力在彎曲角度為45°時(shí)近似相同。此外，較大的彎曲半徑導致較大的應力。
圖3.觸覺(jué)傳感器陣列在正壓力刺激模式下的測試結果。（a）壓電薄膜的極化方向和觸覺(jué)傳感器陣列的接線(xiàn)方式。（b）輕微觸碰下傳感器輸出電壓波形圖。（c）5 Hz頻率，不同壓力大小條件下，傳感器輸出電壓波形圖。（d）輸出峰值電壓與正壓力的關(guān)系。（e）80000次耐久循環(huán)測試。
圖4 .觸覺(jué)傳感器陣列在彎曲刺激模式下的測試結果。（a-c）彎曲半徑為15 mm時(shí)，傳感器陣列在彎曲方向0°，45°和90°的輸出電壓波形圖。（d-f）輸出峰值電壓與彎曲半徑的關(guān)系。
圖5 .傳感器陣列同時(shí)測量彎曲半徑和彎曲方向。（a，b）基于實(shí)驗數據，對上、下感知層輸出峰值電壓與彎曲半徑和彎曲方向的擬合結果。（c，d）通過(guò)上、下感知層的輸出峰值電壓計算彎曲半徑和彎曲方向。
圖6 .大面積可拓展觸覺(jué)傳感器陣列及其多點(diǎn)檢測能力的示意圖。（a）5×5觸覺(jué)傳感器陣列的示意圖。（b）5×5觸覺(jué)傳感器陣列的實(shí)物圖，每個(gè)單元2.5×2.5 mm2。（c）單點(diǎn)壓力測試時(shí)，傳感器10通道的實(shí)時(shí)信號。（d，e）多點(diǎn)壓力測試示意圖和平面壓力強度分布圖。
圖7 .觸覺(jué)傳感器陣列的應用。（a）檢測頸動(dòng)脈脈搏。（b）檢測微小物體運動(dòng)，小蜘蛛約重5mg，傳感器陣列精確捕捉到蜘蛛的起飛和降落位置，靜止時(shí)間和空中持續時(shí)間。（c）帶有觸覺(jué)傳感器的機械手，可以平穩抓起柔軟易碎的豆腐。（d）沒(méi)有觸覺(jué)反饋控制的情況下，將會(huì )破壞豆腐塊。
