▲快速了解摩擦電雙模態(tài)觸覺(jué)傳感器最新研究成果

皮膚通過(guò)種類(lèi)豐富且分布廣泛的觸覺(jué)感受器，對外部環(huán)境進(jìn)行敏銳感知。隨著(zhù)人工智能時(shí)代的興起，具備類(lèi)似皮膚感知能力的電子觸覺(jué)系統備受關(guān)注，這種系統有望為機器人、假肢和執行器等設備提供真實(shí)的觸覺(jué)感知。傳統觸覺(jué)傳感器可以測量壓力和溫度等信息，但無(wú)法獲取物體種類(lèi)和柔軟度等其他觸覺(jué)維度的信息。傳統應變傳感器在檢測物體柔軟度時(shí)，由于其設計復雜且需要預設位移，這限制了其應用范圍。因此，設計一種易于集成的觸覺(jué)傳感器，能夠同時(shí)提供材料類(lèi)型、柔軟度和楊氏模量等信息，對推動(dòng)多模態(tài)觸覺(jué)傳感器的發(fā)展具有重要意義和實(shí)際應用價(jià)值。

近期，香港科技大學(xué)（廣州）訾云龍教授、夏欣教授和暨南大學(xué)楊希婭教授團隊合作開(kāi)發(fā)了一種基于摩擦電效應的雙模態(tài)智能觸覺(jué)傳感器（BITS）。團隊深入研究了摩擦電信號與材料柔軟度的相關(guān)關(guān)系，將摩擦電效應電壓/接觸高度的關(guān)系及力學(xué)赫茲接觸理論結合起來(lái)，使用接觸高度和接觸壓力反應材料柔軟度，實(shí)現材料柔軟度和種類(lèi)的識別并量化模量。該研究為推動(dòng)類(lèi)膚觸覺(jué)傳感器在多模態(tài)信號檢測的應用提供了新的思路。

相關(guān)工作以“Biomimetic bimodal haptic perception using triboelectric effect"為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上，香港科技大學(xué)（廣州）博士生何少帥為第一作者，訾云龍教授、夏欣教授和楊希婭教授為共同通訊作者，香港科技大學(xué)（廣州）為該論文的第一通訊單位。

受昆蟲(chóng)鐘型感受器結構啟發(fā)，研究團隊將BITS設計成半球頂結構。通過(guò)與不同柔軟度物體接觸時(shí)產(chǎn)生的不同電壓信號幅度，從而確定接觸高度，并結合力學(xué)赫茲接觸理論和壓力傳感器，實(shí)現了材料柔軟度的識別和彈性模量的量化，并利用摩擦電效應提取材料種類(lèi)信息，借助機器學(xué)習算法，實(shí)現材料種類(lèi)和柔軟度的高準確度識別。研究團隊進(jìn)一步使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch®S140，精度：10 μm）將BITS結構微型化，以便集成到電子皮膚中。

通過(guò)實(shí)驗和有限元模擬，研究團隊發(fā)現當只有一個(gè)BITS時(shí)，電壓與接觸高度之間呈現二次方相關(guān)的關(guān)系。為了改善這種非線(xiàn)性關(guān)系，研究團隊進(jìn)一步引入具有較低高度的電極作為參比電極，從而將電壓與接觸高度之間的關(guān)系轉變?yōu)榫€(xiàn)性關(guān)系，使得通過(guò)BITS能夠獲得精確可靠的接觸高度數據。

團隊研究了平面和半球形結構BITS對材料柔軟度識別的能力，相比平面結構的BITS，半球形BITS可以區分出材料柔軟度。團隊在不同條件下（不同接觸分離高度、濕度、不同摩擦層材料、不同待測樣品及表面電荷密度）對半球形BITS的性能進(jìn)行了測試，其中電壓與接觸高度之間的關(guān)系在所有條件下均保持線(xiàn)性。此外，BITS能夠在長(cháng)時(shí)間連續測試的條件下仍保持信號穩定。

這種可以測量接觸高度的觸覺(jué)傳感器可以提供柔軟度信息。研究團隊使用該傳感器結合壓力傳感器，模擬了手指靠近-接觸物體并區分柔軟度的過(guò)程。結合摩擦電效應，具有不同摩擦層的傳感器對不同材料種類(lèi)有不同的電壓信號，借助機器學(xué)習可以實(shí)現高準確率的材料種類(lèi)識別。此外，結合測量的接觸高度和接觸壓力，可以對材料的彈性模量進(jìn)行量化，作為材料柔軟度的指標。

針對傳感器尺寸，研究團隊進(jìn)一步使用摩方精密PμSL 3D打印技術(shù)制備了具有微米級別尺寸的BITS傳感器，并使用圖案化方法制備電極，不同尺寸的BITS傳感器的電壓與接觸高度關(guān)系均呈現線(xiàn)性，驗證了該傳感器微型化的潛力，為電子皮膚獲取更多維度信息提供了新的方案。

該團隊利用不同摩擦層的傳感器組成陣列，用于采集摩擦電信號進(jìn)行材料種類(lèi)和柔軟度識別，并量化彈性模量，證明了該傳感器在多模態(tài)觸覺(jué)傳感領(lǐng)域的應用潛力。

綜上所述，研究者受昆蟲(chóng)觸角的啟發(fā)提出了一種觸覺(jué)感知策略，即利用摩擦電效應識別材料類(lèi)型并量化物體的楊氏模量。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)和技術(shù)升級，包括縮小設備尺寸，設計檢測電路，集成到電子皮膚中，該傳感器有望增強機器人和假肢觸覺(jué)感知系統，在機器人技術(shù)領(lǐng)域廣泛應用。