接近傳感電子皮膚研究進(jìn)展綜述

皮膚是人類最大的感覺器官，具有保護(hù)和感覺等多種功能，是人體最重要的天然防御器官，具有驚人的伸展性、自愈能力、卓越的機(jī)械韌性和敏感的觸覺等特殊屬性。從結(jié)構(gòu)上看，皮膚大致可分為三層：表皮層、真皮層和皮下組織。在日常生活中，每根絨毛都充當(dāng)著無(wú)數(shù)個(gè)探測(cè)器的角色，將未與皮膚發(fā)生物理接觸的異物信號(hào)轉(zhuǎn)化為刺激信號(hào)，并傳遞給皮膚下的神經(jīng)細(xì)胞，從而向人體發(fā)出警報(bào)。

電子皮膚具有與人類類似的壓力敏感性、痛覺和溫度感應(yīng)。此外，它還具有超越人類皮膚的功能，包括接近傳感和化學(xué)感應(yīng)。近年來(lái)，有關(guān)接近傳感電子皮膚的研究已引起了廣泛關(guān)注。這種電子皮膚技術(shù)可在無(wú)身體接觸的情況下進(jìn)行檢測(cè)，在人機(jī)協(xié)作、人機(jī)界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。特別是在COVID-19等傳染病傳播的背景下，迫切需要非接觸式檢測(cè)技術(shù)來(lái)確保安全和衛(wèi)生的操作。

近期，來(lái)自青島大學(xué)的研究人員全面回顧了接近傳感電子皮膚技術(shù)領(lǐng)域近年來(lái)取得的重大進(jìn)展，包括原理，以及具有大面積、多功能、應(yīng)變和自修復(fù)能力等特點(diǎn)的單一類型接近傳感器。此外，文章還深入探討了雙類型接近傳感器的研究進(jìn)展。此外，文章還特別強(qiáng)調(diào)了柔性接近傳感器在人機(jī)協(xié)作人機(jī)界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控方面的廣泛應(yīng)用，突出了其在各個(gè)領(lǐng)域的重要性和潛在價(jià)值。最后，文章對(duì)柔性接近傳感器技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提出了見解。相關(guān)研究成果以“Proximity Sensing Electronic Skin: Principles, Characteristics, and Applications”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

圖1 柔性接近傳感器的分類與應(yīng)用

在這篇綜述中，作者重點(diǎn)探討了電容式接近傳感器和摩擦靜電式接近傳感器的工作原理。其中，電容式接近傳感器可部署在非導(dǎo)電屏蔽環(huán)境中，是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的傳感器解決方案。然而周圍環(huán)境的濕度和內(nèi)部物體的存在等因素很容易影響其檢測(cè)精度。

為緩解這一問(wèn)題，一種方法是將電容式接近傳感器與超聲波或電感式傳感器等其他檢測(cè)方法集成在一起。另外，還可以利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)降低數(shù)據(jù)的可變性，最大限度地減少噪音干擾。此外，特定的傳感器芯片（例如FDC2214系列芯片）也有助于減輕環(huán)境干擾。而摩擦靜電接近傳感器無(wú)需外接電源即可運(yùn)行，并且對(duì)動(dòng)態(tài)變化非常敏感。不過(guò)，它們的信號(hào)檢測(cè)是瞬時(shí)的，在特定應(yīng)用中可能會(huì)受到限制。

圖2 兩類電容式接近傳感器原理

圖3 摩擦電納米發(fā)電機(jī)和摩擦電接近傳感器

柔性接近傳感器在人機(jī)協(xié)作領(lǐng)域大有可為。隨著機(jī)器人越來(lái)越多地承擔(dān)各種復(fù)雜的任務(wù)，對(duì)高性能、適應(yīng)性強(qiáng)的柔性接近傳感器的需求將持續(xù)上升。

圖4 柔性接近傳感器在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用

然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。柔性接近傳感器目前還存在以下亟待解決的問(wèn)題：

（1）多功能性：在單個(gè)裝置中開發(fā)具有多種集成功能的傳感器是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。其中，解決傳感器與外部刺激之間的干擾以及優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)的分布是關(guān)鍵因素。

（2）自愈：有關(guān)柔性接近傳感器自愈合特性的研究仍然相對(duì)有限。雖然已經(jīng)對(duì)電子表皮內(nèi)的水凝膠或離子凝膠的自修復(fù)能力進(jìn)行了研究，但仍然缺乏普遍適用的實(shí)施方法。此外，在實(shí)際裝置中實(shí)現(xiàn)自愈能力仍然受到限制。

（3）響應(yīng)時(shí)間：在機(jī)器人安全等應(yīng)用中，柔性接近傳感器的響應(yīng)時(shí)間起著至關(guān)重要的作用。

然而，許多研究論文并未明確提及與接近效應(yīng)相關(guān)的響應(yīng)時(shí)間。除了這些挑戰(zhàn)之外，解決與探測(cè)范圍、測(cè)量精度、耐用性和穩(wěn)定性相關(guān)的問(wèn)題對(duì)于確保柔性接近傳感器的可靠性和長(zhǎng)期使用也至關(guān)重要。

此外，如何將這些傳感器與機(jī)器人系統(tǒng)有效集成，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和處理，以及從豐富的傳感器數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，也是值得認(rèn)真考慮的重點(diǎn)領(lǐng)域。

審核編輯：劉清