目前，在類皮膚觸覺感知系統研究領域，通過跨學科合作有效提升了系統的耐用性、靈敏度和生物相容性，這些進展為健康監測、機器人、人機交互等應用領域開辟了廣闊的發展前景。然而，當前大多數已報道的觸覺感知系統，僅在物理接觸條件下才能產生信號，因此在其實際應用過程中，基于視覺圖像、超聲換能器或電磁技術的外部定位輔助仍然不可或缺。

有趣的是，自然界中的一種夜行性動物——鴨嘴獸，早在2500萬年前就已經解決了這一問題。當在水中捕獵時，鴨嘴獸不依賴于眼睛、鼻子或耳朵，而是利用其“鴨嘴探測器”作為第六感，來感知獵物發出的細微機械運動和電場。研究人員從鴨嘴獸的第六感中汲取靈感，通過將位置檢測與更多的感知功能融合在一套觸覺感知系統中，將有望開發出能更精準模仿甚至超越人類皮膚感知能力的技術。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊以及德國慕尼黑工業大學Peter Müller-Buschbaum教授團隊等研究人員，在鴨嘴獸第六感的啟發下，成功開發出一種基于摩擦電傳感器并集成量子棒（QRs）增強功能的新型觸覺感知系統。該系統可作為單電極模式摩擦納米發電機（TENG），用于位置檢測與垂直力感測，具有高靈敏度和快速響應特性。此外，通過在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中集成CdSe/CdS QRs，該系統可以通過改變發光層來感知不同的橫向拉伸水平。在機器學習技術的支持下，該系統能夠在微控制器單元平臺上對18種不同物體實現高達98.5%的識別準確率，這為智能機器人的智能分揀應用開辟了一條便捷的路徑。相關研究成果以“A multi-dimensional tactile perception system based on triboelectric sensors: towards intelligent sorting without seeing”為題發表在Nano Energy期刊上。

圖1 具有量子棒（QRs）增強功能的摩擦電傳感器

在這項研究工作中，研究人員開發了一種基于單電極模式TENG的摩擦電傳感器，其特別之處在于增加了具有QRs功能的發光層。這種設計通過基于PDMS的TENG產生的電輸出，實現了非接觸式定位檢測和自供能垂直力感測。通過添加功能性CdSe/CdS QRs，因其在紫外光和可見光照射下可被激發，能實現隨條件變化的發光效果，可用于橫向拉伸感測。通過在PDMS復合膜的表面采用波浪形結構，將力感測分辨率提高了28.0%。

圖2 基于TENG的垂直力傳感器的表征

圖3 基于QRs的橫向拉伸傳感器的表征

此外，研究人員展示了摩擦電傳感器的魯棒性和獨立感測能力。通過集成軟夾持器和計算機控制的機械臂，構建了一種基于8個摩擦電傳感器的觸覺感知系統，專門用于智能分揀。該觸覺感知系統能夠依靠力信號成功抓取并識別18種不同的物體，準確率達到96.3%，并且通過光信號的輔助，準確率可進一步提升至98.5%。進一步地，研究人員基于該觸覺感知系統設計了一個“無需視覺”的智能分揀系統，無需任何外部定位裝置即可實現位置檢測。此外，得益于紫外光的潛在殺菌功能，該系統可滿足智能家居和智能工廠應用中對智能化和節能分揀的需求。

圖4 通過觸覺感知系統實現智能抓取

圖5 “無需視覺”實時智能分揀

綜上所述，這項研究工作利用機器學習技術，成功開發了一種基于摩擦電傳感器的多維觸覺感知系統。該系統融合了位置檢測和智能抓取功能，可實現“無需視覺”智能分揀，用于物品檢測、識別和搬運等任務。該多維觸覺感知系統未來有望在智能家居和智能工廠等領域發揮巨大應用潛力。

審核編輯：劉清