中科院北京纳米能源与系统研究所AFM：利用人体对周围电磁波的增强感应，直接可视觉触觉感知和超灵敏触觉传感器

【前言】

使用电子系统模拟人类感知是人工智能和人机交互的关键组成部分。在所有人类感官中，大量的努力都集中在实现触觉感知上，与其他感官相比，这是一项更具挑战性的任务。高性能触觉传感器可应用于多种技术，如安全监控、工业自动化、智能机器人、电子皮肤等。随着各种功能材料的出现，许多具有高拉伸性、自愈合或自供电能力等新特性材料也被应用于触觉传感器。除了材料创新，许多不同的物理机制也被用作触觉传感器的传导原理，包括压阻、可变电容，甚至接触带电效应。不同物理机制的引入可以进一步刺激高性能触觉传感器的发展。触觉传感技术在工业领域的关键目标是实现高分辨率和高灵敏度，同时简化系统的复杂性。因此，不断实验不同的传导机制来实现触觉感知是触觉传感器发展的一项必要任务，这可以促进智能手机、人机交互等领域的应用。

在过去的几年中，基于麦克斯韦位移电流和静电场的传感技术作为一个新兴的研究方向受到了极大的关注。基于摩擦电纳米发电机(TENG)的感应型传感器是利用麦克斯韦位移电流的最具代表性的技术之一。这些基于TENG的传感器可以产生大的电压输出，以提高检测灵敏度，同时降低能耗。然而，由于电荷泄漏和交叉互感， TENG静电数据的采集系统的复杂性会显著增加。因此，研究人员非常希望开发一种改进的方法，能够继承这些TENG基传感器的优点并避免其缺陷。

【成果简介】

近期，来自中科院北京纳米能源与系统的陈翔宇研究员和王中林院士（共同通讯）团队在Advanced Functional Materials上发表文章，题为：Directly Visualizing Tactile Perception and Ultrasensitive Tactile Sensors by Utilizing Body‐Enhanced Induction of Ambient Electromagnetic Waves。利用天线收集电磁波能量的技术是一个由来已久的研究方向，但利用电磁波来提供触觉传感的触发源却是一个新的研究切入点。这是该课题组首次提出的新器件设计，可为之前基于纳米发电机的传感技术提供辅助与支持。他们在实验中发现通常被认为是电磁噪声的环境电磁信号可以成为实现触觉检测的良好触发源。触觉识别是许多应用的关键技术，因此可视化的触觉传感有重要的研究意义。由两个发光二极管(LEDs)组成的电路被设计为传感器单元，人体接触可以放大该电路中电磁波感应的静电信号，从而增强LED的亮度。因此，基于这种策略可以实现触觉的可视化传感。在此基础上，通过所制备的集成于手指上的可拉伸半透明微型传感矩阵，实现了对微小物体触碰点及物体形状的传感检测，其最小有效检测触碰力可小于0.001牛顿。另外，基于这种传感方法，结合具有良好拉伸性的导电水凝胶和弹性电极材料，研究人员同时展示了相应的器件对于滑动轨迹和压力变化的检测和可视化传感，表明了该项传感技术在实现不同目的应用上的良好适用性。电磁波普遍存在于我们的生活和工作环境，因而基于这种策略的触觉传感器有很大潜力被应用于许多领域，如工厂自动化、智能机器人、人机交互等。

【图文导读】

图1. LED传感器器件工作原理

a) 器件工作机制示意图；

b) 当接触节点被人体触摸时，发光二极管的亮度变化；

图2. 传感器单元电路特性表征

a) 不同尺寸的铝箔天线和连接到传感器电路的铝箔示意图相片；

b) 不同尺寸铝箔连接到传感器单元时电路的电流变化；

c) 在铝箔和接触节点之间串联不同电阻值时的电路电流信号；

d) 在人手和接触节点之间串联不同电阻值时的电流信号；

e) 不同尺寸节点电极被人手触碰时的动态电流；

图3. 半透明可拉伸微型传感阵列用于触点的可视化检测

a) 微型传感结构与材料；

b) CF-AgNW电极的SEM图像和集成在人手指上的传感阵列照片；

c) AgNW-CF电极的透光率；

d) 当针触碰阵列上点时，九个LED单元的电流信号；

图4. 结合PCB板用于触碰点的检测

a) PCB图；

b,c,d) 当矩阵被附着于手指上的微小导电物体触摸时64个LED单元的电流信号变化；

图5. 结合水凝胶对滑动轨迹的可视化感知

a) 条形导电水凝胶示意图；

b) 导电物体在条形导电水凝胶上滑动时，两个LED单元的光强；

c) 触觉传感器的电路图；

d) 两个传感器电路响应滑动位置的信号变化；

e) 当导电物体从E1到E2滑动时，两个LED传感单元的电路电流变化；

图6. 压力变化的可视化检测

a) 多孔弹性电极的材料构造；

b) 多孔结构的显微图像；

c,d) 多孔弹性电极的实物照片；

e) 电极响应不同压力的导电性变化

f) 电极响应不同施加压力时的传感器单元的电流信号

g,h) 施加力读数变化和对应发光二极管亮度变化的照片: g )接触前和h )接触时；

i) 随着施加在电极上的压力增加，电路中的电流的变化；

【小结】

本论文提出了由两个串联的发光二极管组成的简单电路，该电路可以被设计成传感器单元来检测各种触觉接触，其中环境电磁信号作为触发信号工作。电磁波在这个传感器电路中感应出静电信号，人类或其他介质的接触运动可以放大这种感应效应。然后，LED的指数特性导致在电磁信号激励下电流信号的强烈增强，通过观察LED的亮度变化可以实现触觉的可视化传感。通过使用这种传感器单元，研究人员设计了一个可拉伸半透明传感器矩阵来检测微小触碰点。接触节点的最小直径约为0.1 mm，传感器单元可以清晰识别接触力小于0.001N的触摸力。此外，水凝胶条和弹性电极被结合到该传感器单元，用于滑动轨迹和接触压力的检测和可视化。由于电磁波普遍存在于我们周围环境，有助于该触觉传感器的连续工作。因此，这种传感方法的高灵敏度、简单的组件和可视化能力可以在工业自动化、机器人皮肤、人机交互、安全监控等领域打开各种应用。

文献链接：Directly Visualizing Tactile Perception and Ultrasensitive Tactile Sensors by Utilizing Body‐Enhanced Induction of Ambient Electromagnetic Waves, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805277).

本文由材料人电子电工组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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