提供可見光反饋的觸覺傳感器在快速發(fā)展的可穿戴顯示器、電子皮膚和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域變得越來越重要。然而，傳感器信號的獲取、傳輸與表達(dá)仍然面臨很大挑戰(zhàn)。例如為了模擬真實(shí)的觸覺系統(tǒng)，一個(gè)完全覆蓋的機(jī)器人需要數(shù)千個(gè)皮膚傳感及反饋元件，如何構(gòu)建傳感器及電路布線引起了廣泛的研究興趣。很明顯，可視化觸覺傳感器仍然需要克服幾個(gè)顯著的障礙：傳感器的密度，供能方式，設(shè)備的便攜性以及生物兼容性。包括材料、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域交叉融合的研究人員正在努力突破這些限制。 近日，廣西大學(xué)聶雙喜教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型的可視化觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了無需外接電源的自供電觸覺反饋。為了使傳感器擺脫能耗的困擾，研究人員基于生物質(zhì)材料優(yōu)異的摩擦電特性，賦予此類傳感器前所未有的自供電性能（開路電壓可達(dá)1327 V）。隨后將其與可視化元件進(jìn)行有源矩陣集成，構(gòu)建了可以實(shí)現(xiàn)手部應(yīng)力強(qiáng)度反饋以及抓取狀態(tài)感知的可穿戴觸覺傳感器。這項(xiàng)成果以題為“Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception”發(fā)表在《Advanced Materials》上，2022級博士生劉濤和陸登俊副教授（劉濤碩士導(dǎo)師）為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，蒙香江、羅斌、袁金霞、劉艷華、張松、蔡晨晨、高聰、王金龍參與研究。

【可穿戴可視化觸覺傳感器的設(shè)計(jì)】

為了使設(shè)備更便于穿戴，傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能微小型化，這意味著傳感器的摩擦面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），通過微型TENG驅(qū)動(dòng)可視化元件（LED）相對困難。因此，采用折紙技術(shù)和表面工程的組合工藝構(gòu)造了具有多層堆疊結(jié)構(gòu)的類X型TENG（X-TENG），充分利用材料的多維度摩擦電效應(yīng)。由于殼聚糖-NH2和特氟龍-F的電子親和力不同，在觸摸應(yīng)力的作用下電子由殼聚糖摩擦層向特氟龍摩擦層轉(zhuǎn)移。通過外接感應(yīng)電極可以收集這種電子轉(zhuǎn)移過程，并連接LED實(shí)現(xiàn)手掌按壓的可見光反饋。

圖1. 用于可穿戴可視化觸覺傳感器的X-TENG【可穿戴軟電源（X-TENG）的摩擦電性能】

傳感器實(shí)現(xiàn)自供電觸覺光反饋的能力基于X-TENG的高電輸出性能。因此，采用超景深三維顯微鏡及有限元模擬仿真（COMSOL）及實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證，確認(rèn)了二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)對X-TENG摩擦電性能的貢獻(xiàn)。X-TENG較普通的殼聚糖提升了448%，最高輸出功率密度可達(dá)2.1 W/m2，并成功觀測到空氣擊穿電火花現(xiàn)象。通過橫向比較，X-TENG具有目前可穿戴柔性自供電傳感器最高的輸出性能。

圖2. X-TENG的摩擦電性能

【X-TENG增強(qiáng)的可視化傳感性能】

基于X-TENG的高輸出性能，可以在輕松觸摸下驅(qū)動(dòng)可視化光源（LED）產(chǎn)生可見光。在正常觸碰應(yīng)力（100 kPa）下X-TENG驅(qū)動(dòng)可視化光源最大的亮度可達(dá)9.8 cd/m2。為了展示可視化觸覺傳感器在集成設(shè)備中的應(yīng)用潛力，通過有源矩陣（5×5）的設(shè)計(jì)策略分別將X-TENG與可視化光源元件集成在相同的平面上。在這里，單點(diǎn)觸碰與大面積觸碰用于演示觸覺可視化反饋的響應(yīng)。可以推測，可視化觸覺傳感器在應(yīng)力傳感、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋與輔助訓(xùn)練中具備潛在的應(yīng)用前景。

圖3. X-TENG有源矩陣集成的可視化傳感性能

【用于識別手部抓取狀態(tài)的可穿戴設(shè)備】

在肌肉康復(fù)訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練質(zhì)量對用戶的康復(fù)效果非常重要。通過將可視化裝置按照在腕力圈上，提出了一種可反饋應(yīng)力強(qiáng)度的自供電裝置，不同的按壓強(qiáng)度可通過LED完成實(shí)時(shí)的觸覺反饋。因此，用戶可以通過可視化裝置感知訓(xùn)練強(qiáng)度及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練策略。更重要的是，此項(xiàng)技術(shù)可以在電路中匹配更多阻值的電阻，按壓強(qiáng)度反饋的指示燈也可以實(shí)現(xiàn)從1到N級的可拓展性。

圖4. 用于輔助康復(fù)訓(xùn)練的可穿戴設(shè)備

小結(jié)：本研究提出了一種自供電的可穿戴可視化觸覺傳感器和一種靈敏、零功耗、靈活的可視化交互方式。但這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段，目前僅限于器件結(jié)構(gòu)簡單的可穿戴自供電系統(tǒng)。雖然此研究驗(yàn)證了通過摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可視化光源的有效性，但可視化強(qiáng)度仍然是不足夠的，最近的一些報(bào)道通過電路管理與材料表面極化提升摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，這可能對增強(qiáng)可視化反饋強(qiáng)度有效。同樣，可視化強(qiáng)度仍然受到可視化光源功耗的限制，通過調(diào)節(jié)反饋光源的匹配電流也是一種有效的途徑。此外，此處提供的數(shù)據(jù)集還包含同步的視覺信息以及觸覺數(shù)據(jù)。在這方面，數(shù)字孿生與電信號控制是跨視覺與觸覺領(lǐng)域的多模式學(xué)習(xí)的有用控制平臺，這對于機(jī)器人的模擬控制可能有用。最后，可以增強(qiáng)可視化觸覺傳感器本身，例如可以從可穿戴模塊和更緊湊的無線數(shù)據(jù)工具包將擴(kuò)展其在需要相當(dāng)大移動(dòng)性的操作任務(wù)中的實(shí)用性。審核編輯：郭婷