香港科技大學：識別材料柔軟度和種類的摩擦電雙模態(tài)觸覺傳感器

▲快速了解摩擦電雙模態(tài)觸覺傳感器最新研究成果

皮膚通過種類豐富且分布廣泛的觸覺感受器，對外部環(huán)境進行敏銳感知。隨著人工智能時代的興起，具備類似皮膚感知能力的電子觸覺系統(tǒng)備受關(guān)注，這種系統(tǒng)有望為機器人、假肢和執(zhí)行器等設(shè)備提供真實的觸覺感知。傳統(tǒng)觸覺傳感器可以測量壓力和溫度等信息，但無法獲取物體種類和柔軟度等其他觸覺維度的信息。傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器在檢測物體柔軟度時，由于其設(shè)計復雜且需要預(yù)設(shè)位移，這限制了其應(yīng)用范圍。因此，設(shè)計一種易于集成的觸覺傳感器，能夠同時提供材料類型、柔軟度和楊氏模量等信息，對推動多模態(tài)觸覺傳感器的發(fā)展具有重要意義和實際應(yīng)用價值。

近期，香港科技大學（廣州）訾云龍教授、夏欣教授和暨南大學楊希婭教授團隊合作開發(fā)了一種基于摩擦電效應(yīng)的雙模態(tài)智能觸覺傳感器（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(yīng)電壓/接觸高度的關(guān)系及力學赫茲接觸理論結(jié)合起來，使用接觸高度和接觸壓力反應(yīng)材料柔軟度，實現(xiàn)材料柔軟度和種類的識別并量化模量。該研究為推動類膚觸覺傳感器在多模態(tài)信號檢測的應(yīng)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)表在學術(shù)期刊《Science Advances》上，香港科技大學（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（廣州）為該論文的第一通訊單位。

受昆蟲鐘型感受器結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團隊將BITS設(shè)計成半球頂結(jié)構(gòu)。通過與不同柔軟度物體接觸時產(chǎn)生的不同電壓信號幅度，從而確定接觸高度，并結(jié)合力學赫茲接觸理論和壓力傳感器，實現(xiàn)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(yīng)提取材料種類信息，借助機器學習算法，實現(xiàn)材料種類和柔軟度的高準確度識別。研究團隊進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(jié)構(gòu)微型化，以便集成到電子皮膚中。

通過實驗和有限元模擬，研究團隊發(fā)現(xiàn)當只有一個BITS時，電壓與接觸高度之間呈現(xiàn)二次方相關(guān)的關(guān)系。為了改善這種非線性關(guān)系，研究團隊進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(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系，使得通過BITS能夠獲得精確可靠的接觸高度數(shù)據(jù)。

團隊研究了平面和半球形結(jié)構(gòu)BITS對材料柔軟度識別的能力，相比平面結(jié)構(gòu)的BITS，半球形BITS可以區(qū)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性。此外，BITS能夠在長時間連續(xù)測試的條件下仍保持信號穩(wěn)定。

這種可以測量接觸高度的觸覺傳感器可以提供柔軟度信息。研究團隊使用該傳感器結(jié)合壓力傳感器，模擬了手指靠近-接觸物體并區(qū)分柔軟度的過程。結(jié)合摩擦電效應(yīng)，具有不同摩擦層的傳感器對不同材料種類有不同的電壓信號，借助機器學習可以實現(xiàn)高準確率的材料種類識別。此外，結(jié)合測量的接觸高度和接觸壓力，可以對材料的彈性模量進行量化，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(xiàn)線性，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行材料種類和柔軟度識別，并量化彈性模量，證明了該傳感器在多模態(tài)觸覺傳感領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

綜上所述，研究者受昆蟲觸角的啟發(fā)提出了一種觸覺感知策略，即利用摩擦電效應(yīng)識別材料類型并量化物體的楊氏模量。通過進一步改進和技術(shù)升級，包括縮小設(shè)備尺寸，設(shè)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感知系統(tǒng)，在機器人技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。