多功能觸覺傳感器及集成策略

觸覺傳感器可以將環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電信號來感知和量化環(huán)境信息，顯示出巨大的應(yīng)用前景。仿生機(jī)器人和可穿戴設(shè)備向智能化方向發(fā)展，對觸覺傳感器陣列的性能提出了很高的要求。

本文介紹了近年來觸覺傳感器陣列的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)討論了圖案陣列的主要制備方法，包括絲網(wǎng)印刷、3D打印、激光微加工和紡織技術(shù)，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)兩方面系統(tǒng)地介紹了柔性高密度傳感器陣列串?dāng)_的優(yōu)化策略。為了提高其適用性，簡要介紹了一種可伸縮自供電的先進(jìn)傳感通用集成方案。然后，借助機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，深入挖掘觸覺采集信號中所蘊(yùn)含的信息，豐富應(yīng)用場景。

高分辨率陣列制備技術(shù)

對于指尖等受體分布豐富的區(qū)域，其空間分辨率可達(dá)1 mm左右，響應(yīng)時(shí)間約為15 ms，在盲文識別、物體輪廓精確檢測等應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。目前，觸覺傳感器的圖案加工方法主要有絲網(wǎng)印刷、3D打印、激光微加工和紡織技術(shù)。

絲網(wǎng)印刷

目前最高印刷精度可達(dá)100 μm左右，技術(shù)相對成熟，工藝簡單、效率高、成本低、適合批量生產(chǎn)。主要用于制造觸覺傳感器陣列中快速制備圖案電極。研究人員提出了一種基于絲網(wǎng)印刷方法的柔性透明觸覺傳感器陣列的制造工藝，使用圖案聚酯膠帶作為絲網(wǎng)印刷的掩膜，銀納米線作為電極材料。所制備的觸覺傳感器陣列的單元間距為5mm，每個(gè)單元與外部導(dǎo)線連接的線狀電極的寬度僅為1mm。

3D打印

易于操作，并且能夠根據(jù)需要直接打印具有微觀結(jié)構(gòu)的電極或敏感材料，還可以用于模具定制，并對凝膠或未固化樹脂等材料系統(tǒng)具有輔助成型作用。目前有研究使用3D打印技術(shù)制作了由8 × 8傳感器單元和蛇形電極線組成的具有設(shè)計(jì)圖案的模板。將凝膠混合物倒入模板中，在室溫下風(fēng)干后，可從模板上剝離出柔軟且具有彈性的圖案彈性體，以制備摩擦電觸覺傳感器陣列。

激光顯微加工

激光微加工技術(shù)無掩模，效率高，適合批量生產(chǎn)，有助于制備高靈敏度、高空間分辨率和高可靠性的觸覺傳感器。激光可以在襯底材料中誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生所需的敏感材料。這種方法允許直接在基板上制備具有特定圖案的敏感材料，消除了諸如轉(zhuǎn)移材料和圖案處理等繁瑣步驟。有研究采用激光直寫技術(shù)，開發(fā)了一種柔性的高分辨率摩擦電傳感陣列。制作分辨率為8 dpi的16 × 16陣列，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸、滑動(dòng)和跟蹤手指運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)可視化。

紡織技術(shù)

通過紡織纖維中嵌入電極和敏感材料，可以獲得具有觸覺反應(yīng)的功能性紡織材料，具有耐洗性、透氣性、超拉伸性和堅(jiān)固性等優(yōu)點(diǎn)，比其他制造方法更適合用于可穿戴設(shè)備。還可以將傳感纖維與傳統(tǒng)服裝相結(jié)合，制造出具有良好舒適性和透氣性的智能傳感服裝。但目前智能紡織品普遍存在制備工藝復(fù)雜、靈敏度低等問題，難以在觸覺傳感系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

抗串?dāng)_策略

傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了減少非壓感單元的變形，一種可行的解決方案是通過合理的布局設(shè)計(jì)優(yōu)化感測節(jié)點(diǎn)的密度，使感測單元在空間位置上相對獨(dú)立。研究人員在大面積(2.2 cm × 2.2 cm)上設(shè)計(jì)了基于mos2的超薄保形觸覺傳感器4 × 4陣列，每個(gè)單元格為2.10 mm × 1.85 mm。該傳感器傳感單元的合理分布在很大程度上緩解了串?dāng)_現(xiàn)象。

另一種抑制相鄰傳感單元應(yīng)力變形的方法是增加機(jī)械隔離結(jié)構(gòu)，如溝槽或支撐結(jié)構(gòu)。研究通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明，通過在10 × 10觸覺傳感器陣列的每個(gè)單元之間設(shè)置間隔，可以有效抑制串?dāng)_，并大大提高空間分辨率。

電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

目前最廣泛應(yīng)用的電壓反饋法和零電位法。電壓反饋方法通過引入反饋回路來抵消串?dāng)_，使未掃描的行和列上的未掃描單元保持在反饋電壓提供的相同電位差。零電位法是通過驅(qū)動(dòng)運(yùn)放連接虛擬地或通過多路復(fù)用器直接接地，使所有非掃描驅(qū)動(dòng)電極處于零電位。有研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于零電位串?dāng)_抑制的改進(jìn)電路，采用譯碼晶體管掃描架構(gòu)，使該方法適用于大型傳感陣列。零電位法雖然電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但能達(dá)到較高的檢測精度。

多功能觸覺傳感器及集成策略

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將幾種具有不同傳感功能的材料集成在一起，是制造多模態(tài)觸覺傳感器陣列的一種方法。研究報(bào)道了一種柔性和可拉伸的多功能傳感器陣列，其布局結(jié)合了分布式和堆疊式，從而實(shí)現(xiàn)了對溫度、濕度、紫外線、磁力、應(yīng)變、壓力和鄰近刺激的實(shí)時(shí)同時(shí)監(jiān)測。研究人員通過炭黑-聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為多模態(tài)傳感材料，制備了對應(yīng)變、壓力、彎曲和溫度刺激具有高靈敏度和快速響應(yīng)的交叉反應(yīng)式傳感矩陣。在詞袋模型的基礎(chǔ)上，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法區(qū)分不同的刺激。

觸覺信息的深度挖掘與應(yīng)用

觸覺傳感器提供的信息，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以深入挖掘觸覺采集信號中嵌入的信息，如識別物體的類型和形狀以及接觸面的振動(dòng)頻率，監(jiān)測和分析人體健康狀況，還可應(yīng)用于實(shí)時(shí)分析人體運(yùn)動(dòng)和抓握力，獲得詳細(xì)的人體運(yùn)動(dòng)信息等。在視覺感知上，有研究人員通過眼電術(shù)和觸覺感知技術(shù)開發(fā)了一種協(xié)作界面，用于快速準(zhǔn)確的3D人機(jī)交互。

圖文解析

圖2 使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備觸覺傳感器陣列中快速制備圖案電極

圖3 使用3D打印技術(shù)制備觸覺傳感器中具有微觀結(jié)構(gòu)的電極或敏感材料

總結(jié)與前瞻

觸覺傳感器的應(yīng)用仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。首先，觸覺傳感器陣列同時(shí)獲得的信號包含了壓力、剪切力、溫度等豐富的信息。尋找有效的解耦干擾和串?dāng)_信號是十分必要的。其次，使用環(huán)境中的溫度、濕度、振動(dòng)等多種物理場因素通常會(huì)導(dǎo)致觸覺傳感器的性能下降，從而影響觸覺傳感器的檢測精度。因此，如何提高觸覺傳感器在復(fù)雜應(yīng)用條件下的長期檢測穩(wěn)定性是一個(gè)迫切需要解決的問題。第三，觸覺傳感器已經(jīng)可以用全柔性材料制造，但用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)南嚓P(guān)電路仍然由傳統(tǒng)的剛性材料制成，這將影響觸覺傳感系統(tǒng)的整體可穿戴性。因此，開發(fā)柔性和可拉伸電路對于柔性觸覺傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品、智能機(jī)器人和人機(jī)交互系統(tǒng)等不同領(lǐng)域的應(yīng)用也是非常必要的。

審核編輯：黃飛

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