超靈敏壓力傳感器：單點觸滑雙模傳感新突破

超感官知覺這種說辭出現(xiàn)在不少的科幻影視作品中，各種天馬行空的想象力促進了科技智能化的快速發(fā)展。在《阿麗塔，戰(zhàn)斗天使》中的智能裝備改造人阿麗塔不再是冰冷的機器，而是擁有更像人類的氣息與觸覺，通過更高密度的力量反饋以及材質(zhì)感應(yīng)器使阿麗塔手臂的觸覺更加靈敏，使改造人能感知到他們所觸摸的東西?？苹糜耙曌髌分袠O為震撼的場面，給我們提供了感官上的炫酷體驗，并讓我們?yōu)橹裢?/p>

回到我們腳下的大地，全球人類仍在智能傳感器領(lǐng)域進行著各種科技探索。在智能機器人領(lǐng)域中，觸覺傳感器成為抓握的核心元件，其通過物理接觸實現(xiàn)與周圍環(huán)境的互動。近年來，傳感技術(shù)從剛性逐漸向著柔性、高靈敏、多功能化的方向發(fā)展。與人體皮膚類似，智能觸覺傳感器應(yīng)能夠準確識別各種接觸力，從而有效地控制目標物體為機器人提供類似人類的抓取能力。然而，由于高靈敏度及數(shù)據(jù)解耦要求，開發(fā)單點檢測不同模式接觸力的觸覺傳感器是非常困難的。因此，同時實現(xiàn)法向壓力和滑動檢測對觸覺傳感器的工藝、性能及數(shù)據(jù)分析技術(shù)均提出了重大挑戰(zhàn)。

北京航空航天大學潘曹峰團隊和北京納米能源與系統(tǒng)研究所鮑容容團隊及其博士生劉月等人通過相轉(zhuǎn)化-犧牲模板法實現(xiàn)了觸覺傳感器的超高靈敏度，并通過對輸出信號進行小波變換實現(xiàn)了復雜接觸狀態(tài)的單點多模態(tài)傳感。實現(xiàn)單元像素點的多模態(tài)傳感，有兩個必要條件。首先，類似于神經(jīng)信號采集，需要低級處理，有必要通過高靈敏傳感器檢測觸覺信號的詳細信息；其次，感知還需要大腦進行高級分析，其中涉及信息整合和特征提取，即需要后續(xù)的信號處理在時域和頻域上對信號同時做出分析。

鑒于此，相轉(zhuǎn)化-犧牲模板法只需要基本的實驗儀器，靈敏層即可在10 s內(nèi)一步成型。經(jīng)驗證，其適用于TPU、PS、PAN等多種材料，所制備膜的可控性和通用性可以根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)和性能期望應(yīng)用進行調(diào)整。并且，構(gòu)建了1167 kPa-1超高靈敏度的壓力傳感器，經(jīng)驗證，該觸覺傳感器可同時檢測到成年女性頸動脈脈搏和呼吸頻率的微弱波動。

基于信號精細采集，進一步結(jié)合小波變換對觸/滑覺信號進行頻域特征提取，通過高級處理實現(xiàn)對目標物體多模態(tài)的判斷。經(jīng)驗證，該壓力傳感器可通過單元器件區(qū)分物體的靜壓狀態(tài)及滑動瞬時刻，后期通過反饋系統(tǒng)集成，可使機器人根據(jù)物體質(zhì)量的變化調(diào)整抓握力，從而實現(xiàn)可控抓握。

研究者相信，此項研究將會為傳感器靈敏層的制備及信號分析方式打開一扇窗戶，并為多模態(tài)觸覺傳感器的發(fā)展提供新的思路。該領(lǐng)域的迅速發(fā)展將賦予機器人視覺、力覺、觸覺、嗅覺、味覺等對外部環(huán)境的多種感知能力，為人機交互提供更為自然和智能的體驗。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Materials上，并于當期Inside Front Cover做簡要介紹。

審核編輯：黃飛