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創(chuàng)新點

1. 多功能觸覺傳感器陣列，測量壓力、彎曲半徑和彎曲方向的同時，還可以實時區(qū)分外部刺激的模式，實現(xiàn)多種測量模式的自動解耦。

2. 傳感器陣列采用橫縱電極結(jié)構(gòu)，將電極引線數(shù)量由n×m降低至n+m，極大降低了制作成本和難度。

3. 解決了橫縱電極結(jié)構(gòu)在壓電傳感器陣列中的信號串?dāng)_問題。

  近年來，柔性電子皮膚一直是科研界和工業(yè)界的研究熱門，其中用于模仿人體皮膚功能的仿生觸覺傳感器是研究重點。觸覺傳感器可以對外界的應(yīng)力刺激產(chǎn)生對應(yīng)的電信號，廣泛應(yīng)用于人工智能、人機(jī)交互、生物信息檢測等領(lǐng)域。為了能更好的設(shè)計仿生觸覺傳感器，首先要了解人體皮膚的感知原理。人體皮膚是一種非常了不起的觸覺傳感器，可以同時檢測各種刺激的強(qiáng)度和模式，既其可以分辨按壓、敲擊和彎曲。這主要歸因于四個機(jī)械感受器（SA-I，II和FA-I，II）分布在人體皮膚不同區(qū)域。機(jī)械感受器接收外部刺激并將其轉(zhuǎn)換為電子信號，然后這四種受體的綜合信號由大腦進(jìn)行分析，得到物體大小，形狀和質(zhì)地等信息。目前，柔性觸覺傳感器陣列在實際應(yīng)用上面臨著許多挑戰(zhàn)，首先，目前的觸覺傳感器陣列往往只有單一功能，即使是可以測量正壓力和彎曲的多功能傳感器，也無法從傳感器信號分析出外界刺激的模式。其次，大面積，高分辨率的傳感器陣列需要大量的電極引線，限制了其發(fā)展。盡管行+列的布線結(jié)構(gòu)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電阻式和電容式傳感器陣列中，但是對于壓電傳感器而言，這樣的布線結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致信號串?dāng)_的問題。因此，具有n × m 個單元的壓電傳感器陣列，往往需要n × m 條引線， 并且布線結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。

  為了解決這些難題，近日，香港城市大學(xué)楊征保教授團(tuán)隊聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)胡泓教授團(tuán)隊提出了一種基于壓電薄膜的，具有行+列電極結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器陣列。該觸覺傳感器陣列，可以實時感測和區(qū)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。此外，獨特的設(shè)計克服了其他壓電傳感器中存在的串?dāng)_問題。壓力測試和彎曲測試表明，所提出的觸覺傳感器陣列具有高靈敏度（7.7 mV / kPa），長期耐用性（80,000個循環(huán)周期）和快速響應(yīng)時間（10 ms）的特征。觸覺傳感器陣列還顯示出卓越的可擴(kuò)展性和易于大規(guī)模制造的能力。

圖1. 基于皮膚啟發(fā)的觸覺傳感器陣列示意圖。（a）傳感器陣列的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，從上到下依次為保護(hù)層、上感知層、隔離層、下感知層、保護(hù)層。（b）傳感器陣列電極引線。（c）觸覺傳感器陣列系統(tǒng)實時分辨不同模式刺激的示意圖。觸覺傳感器陣列將外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過信號處理后可以實時判斷外界刺激的大小和模式，進(jìn)而用于外部設(shè)備。

圖2 不同刺激模式下觸覺傳感器陣列的工作機(jī)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(yīng)力分布。（c）彎曲刺激模式的示意圖。（d-g）上感知層的應(yīng)力隨著彎曲角度的增大而減小，而下感知層的情況則呈現(xiàn)相反的趨勢。兩層的應(yīng)力在彎曲角度為45°時近似相同。此外，較大的彎曲半徑導(dǎo)致較大的應(yīng)力。

圖3 觸覺傳感器陣列在正壓力刺激模式下的測試結(jié)果。（a）壓電薄膜的極化方向和觸覺傳感器陣列的接線方式。（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 觸覺傳感器陣列在彎曲刺激模式下的測試結(jié)果。（a-c）彎曲半徑為15 mm時，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 傳感器陣列同時測量彎曲半徑和彎曲方向。（a，b）基于實驗數(shù)據(jù)，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(jié)果。（c，d）通過上、下感知層的輸出峰值電壓計算彎曲半徑和彎曲方向。

圖6 大面積可拓展觸覺傳感器陣列及其多點檢測能力的示意圖。（a）5×5觸覺傳感器陣列的示意圖。（b）5×5觸覺傳感器陣列的實物圖，每個單元2.5×2.5 mm2。（c）單點壓力測試時，傳感器10通道的實時信號。（d，e）多點壓力測試示意圖和平面壓力強(qiáng)度分布圖。

圖7 觸覺傳感器陣列的應(yīng)用。（a）檢測頸動脈脈搏。（b）檢測微小物體運(yùn)動，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，靜止時間和空中持續(xù)時間。（c）帶有觸覺傳感器的機(jī)械手，可以平穩(wěn)抓起柔軟易碎的豆腐。（d）沒有觸覺反饋控制的情況下，將會破壞豆腐塊。

  這項研究為觸覺傳感器設(shè)計提供了一種新的策略，并將廣泛惠及許多領(lǐng)域，尤其是電子皮膚，健康監(jiān)測，動物運(yùn)動檢測和機(jī)器人技術(shù)。相關(guān)成果以”Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli”為題，發(fā)表于Advanced Science。林偉康和王標(biāo)為共同第一作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202002817

  DOI：doi.org/10.1002/advs.202002817