王中林院士ACS Nano：智能触觉传感器

【引言】

智能机器人已经有足够丰富研究环境创建科幻电影中的一些情景。按照预定计划下一代机器人和传统的工业机器人不一样，它们在智能家居设计、外太空探索、和先进的医疗程序中可以自主设计，它们依靠各种各样的传感器可以感觉和分析环境。一个智能触觉传感器就像一个人的手一样至关重要，因为它不仅读取如位置、温度和形状等物理特征也可以通过感觉硬度、力和压力操纵各种物体。传统的触觉传感器可以分为以下几类：电容性的，压电的，抗压力的，光学的。但是有一个主要的问题，在设计这种智能传感器时需要能源供应，因为在一些极端的环境中比如偏远地区，未知的世界，充电或更换传感器电池并不方便，甚至不足以保证完成应用功能传感器所需的能量。

摩擦电传感器是基于摩擦生电和在固有功率模式下模式设计检测微小压力或运动。由于高灵敏度，质轻，快速响应和较低的检出限等优点，过去的几年里在设计和集成测试中已经迈出了一大步。然而，由于解耦干扰信号仍存在困难，复杂信息的同时检测尚未实现，因此想要构建一种用于人工电子皮肤的灵活性高、低成本、灵敏的传感器仍是一个巨大的挑战。

【成果简介】

最近，中科院北京纳米能源与系统研究所和北京科技大学的曹霞教授、王宁副教授及乔治亚理工大学及中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士（共同通讯）在ACS Nano上发表题为“From Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator to Smart Tactile Sensor: A Multiplexing Design”的文章。文章报道了一种以双模式摩擦电纳米发电机为基础的自供电的、智能的、集成触觉单元的智能触觉传感器。在一个小压力下（100Pa）获得六种典型材料的电流信号（≥0.4mA），这个传感器不仅可以检测微小的压力和力，还可以通过形状变化电流峰值感觉到触点材料的硬度，使其成为可能创造包含人造皮肤感觉和能力联系对象。

【图文导读】

图1. 智能触觉传感器示意图

a)设计的的应用示意图；

b)耦合智能触觉传感器工作原理示意图；

c)制备的智能触觉传感器图片；

d)Ag纳米线的SEM图片。

图2. 智能触觉传感器接触敏感装置机理及性能

a) 智能触觉传感器接触敏感装置简化等效电路模型；

b) 在不同材料接触压力下大约100 Pa，智能触觉传感器输出电流的测试；

c)不同接触材料电流峰值形状；

d)不同材料的不同形状电流峰值的可能机理。

图3. 智能触觉传感器位置传感的原则和性能

a)位置传感的原则；

b)不同接触面积下电压分布的理论分析；

c)电极a与电极c在16个测试点下的电压比；

d) 电极b与电极d在16个测试点下的电压比；

e)测试位置和实际位置之间的比较。

图4. 智能触觉传感器的输出性能

a)智能触觉传感器的短路电流；

b) 智能触觉传感器的开路电压；

c) 智能触觉传感器的电位差和带隙距离的数值模拟；

d)输出电压和外加电压之间的关系。

图5. 智能触觉传感器在动态力传感下实际响应行为

a,c,e)动态力传感时间分别为0.4s，0.6s，0.8s；

b,d,f)通过分析测试智能触觉传感器的开路电压测量相应的动态曲线。

【小结】

智能触觉传感器是在耦合的双模式基础上发展起来的，在工作模式中，单电极单元担当着接触传感器和感应对象对应硬度的角色，而两电极单元则起到改变压力的作用。因此，这种互补式的设计可以使传感器从外物上同时获得复杂的信息。线型检测压力的范围可以从40N到140N，相关系数可达0.98，当动态力从0.4s变化到0.8s，压力从55N变化到38N时仍能显示出良好的动态压力响应。当嵌入一个单模式摩擦电纳米发电机基位置传感器时，智能触觉传感器的平面分辨率可达2mm。这些结果证实了智能触觉传感器的能力，可以同时感觉到和解释接触、硬度、位置和压力等复杂的信息，使它成为未来的智能机器人或其他智能设备器件的一个很不错的选择。

【文献链接】From Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator to Smart Tactile Sensor: A Multiplexing Design.( ACS Nano,2017,DOI: 10.1021/acsnano.7b00396)

【通讯作者介绍】

王中林博士是佐治亚理工学院终身校董事教授 (Regents’ Professor),工学院杰出讲席教授(COE Distinguished Professor)。王教授是中国科学院外籍院士,欧洲科学院院士，曾荣获了美国显微镜学会 1999年巴顿奖章﹐佐治亚理工学院2000和2005年杰出研究奖﹐2005年Sigma Xi 学会持续研究奖，2001年S.T.Li奖金(美国)﹐2009年美国陶瓷学会Purdy奖，美国自然科学基金会CAREER基金﹐中国首批国家自然科学基金会海外优秀青年科学家基金，教育部“长江”特聘讲席教授。王教授是美国物理学会fellow, 美国显微学会fellow，美国科学发展协会(AAAS) fellow，美国材料学会 fellow。王教授已在国际一流刊物上发表了620篇论文（其中十八篇发表在美国《科学》，英国《自然》和子期刊上）﹐43篇书章节﹐二十项专利，四本专著和二十本编辑书籍和会议文集。他已被邀请做过600多次学术讲演和大会特邀报告。他的学术论文已被引用三万四千次以上。他论文被引用的H因子(h-index)是90。王中林是国际纳米科技领域具有重要学术影响的科学家。他的研究具有原创性，前瞻性和引领性。他最近的工作主要集中在纳米能源技术， 氧化锌纳米材料的合成，表征，生长机理和应用，纳米传感器和新型器件的原理和应用，以及基于光纤的三维隐蔽型太阳能电池。 

我们生活的环境中充满了各种各样的能量，例如震动能，形变能，肌肉活动能，化学能，生物能，微风能，太阳能，热能等。如果我们利用纳米技术可以把这些无时不有处处有的能量转换为电能来带动一些小型的电子器件，就可以制造出自驱动的微纳系统。因为纳米系统具有微小而且可植入体内等特性，所以它的供电系统必须是小型化的。为了解决这个问题，王中林小组2005年开始研究如何用纳米结构来把机械能转换为电能。【1，2】2007年成功首次研发出由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电机。【3】2008年，研发出可以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机【4，5】，真正实现了“只要能动，就能发电”。【6】纳米发电机的发明可以被视为利用纳米压电发电科学现象到实际应用发展过程中的一个重大里程碑。研究贯彻的是从科学到工程，到技术，再到商业化的一条龙研发路线。纳米发电机的发明被中国两院院士评为2006年度世界科学十大科技进展之一；2008年，被英国《物理世界》评选为世界科技重大进展之一；2009年，《MIT Technology Review》评选为十大创新技术之一;《Science Watch》在有关能源和燃料的一刊中重点报道了纳米发电机的过程和重大意义；英国《新科学家》期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一。美国自然科学基金会2007年向总统和国会申请2008年65亿美元研究经费的前沿总结里第一条重大研究成果(Research that benefits the nation一栏)就是我们的纳米发电机。 
[1] Z.L. Wang “Self-powering nanotech”, Scientific American, 298 (2008) 82-87. 
[2] Z.L. Wang and J.H. Song  “Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays”, Science, 312 (2006) 242-246. 
[3] X.D. Wang, J.H. Song J. Liu, and Z.L. Wang* “Direct current nanogenerator driven by ultrasonic wave”, Science, 316 (2007) 102-105. 
[4] Y. Qin, X.D. Wang and Z.L. Wang* ”Microfiber-Nanowire Hybrid Structure for Energy Scavenging”, Nature, 451 (2008) 809-813. 
[5] R.S. Yang, Y. Qin, L.M. Dai and Z.L. Wang * “Flexible charge-pump for power generation using laterally packaged piezoelectric-wires”, Nature Nanotechnology, 4 (2009) 34-39. 
[6] S. Xu, Y. Qin, C. Xu, Y.G. Wei, R.S. Yang and Z.L. Wang “Self-powered nanowire devices”, Nature Nanotechnology, on line. 

本文由材料人编辑部新能源小组Jane915126供稿，材料牛编辑整理。

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