電子皮膚（E-skin）是一種機器人觸覺系統(tǒng)，它附著在機器表面，通過傳感單元檢測壓力，使機器人像人一樣感知周圍環(huán)境。為了滿足機器人對彎曲、擠壓、扭轉(zhuǎn)等形變的精確觸覺感知，國內(nèi)外學者在可靠材料選擇和新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計方面開展了大量的創(chuàng)新性研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對該領(lǐng)域研究進展，北京信息科技大學高國偉教授團隊進行了綜述分析，包括觸覺傳感器的分類及原理，通過對敏感材料的選擇與調(diào)控以及新型敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計來提高觸覺傳感器柔性和靈敏度的研究進展，以及多維力檢測和多功能性的研究進展，并指出高靈敏度柔性電子皮膚當前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。相關(guān)研究內(nèi)容以“高靈敏度柔性電子皮膚的研究與應用進展”為題發(fā)表在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上。

觸覺傳感器分類及原理

觸覺傳感器根據(jù)外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號方式的不同，主要可分為壓電式、壓阻式、電容式等。

壓電式觸覺傳感器中最常用的壓電材料是壓電陶瓷（PZT）、氧化鋅（ZnO）、鈦酸鋇（BaTiO?）、聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物。例如，Dagdeviren C等人研究了多種壓電式壓力傳感器，其中一種通過蛇形路徑連接到硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的幾個方形壓電薄膜上，如圖1所示，場效應晶體管的作用是在施加壓力時放大壓電元件產(chǎn)生的電壓。壓電元件位于中性機械平面，以最大限度減少壓力測量中的彎曲干擾，并允許傳感器用于曲線表面，以檢測壓電壓力波（BPW）。

圖1 壓電電子皮膚（E-skin）傳感器

壓阻式觸覺傳感器在壓力的作用下，材料的外部形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。人類皮膚結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈感來源于現(xiàn)代公司在2015年開發(fā)的幾種電子皮膚，如圖2所示。該研究團隊探索了互鎖的幾何圖形，以壓阻或壓阻和壓電配置模擬人類皮膚的表皮。互鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了由聚二甲基硅氧烷（PDMS）與多壁碳納米管（MWCNTs）復合而成的微柱、微金字塔或微圓頂之間的接觸點所定義的初始接觸電阻。這種操作模式可以通過調(diào)整微結(jié)構(gòu)的間距或尺寸來降低器件的電阻值，實現(xiàn)高靈敏度。

圖2 現(xiàn)代公司開發(fā)的電子皮膚圖

電容式觸覺傳感器的傳感單元通常由2個平行的電極組成，通過被測力引起的電容量變化來檢測受力信息。電容式觸覺傳感器具備結(jié)構(gòu)比較簡單、制造成本低、靈敏度高以及動態(tài)響應靈敏等特點。

柔性化研究

為了提高電子皮膚的柔性以滿足機器人對彎曲、擠壓、扭轉(zhuǎn)等形變的精確觸覺感知，PDMS、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）等聚合物材料被用來制造傳感器的柔性基底，以提高傳感器的柔性。此外，通過優(yōu)化材料配比和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以提高傳感器的柔性，目前，網(wǎng)狀、波紋狀、島橋等結(jié)構(gòu)設(shè)計已用于電子皮膚柔性的提升。

圖3 高柔彈性的仿生電子皮膚壓力傳感器陣列

高靈敏度研究

觸覺傳感器的靈敏度通常是指在一定壓力范圍內(nèi)，電信號的相對變化與壓力變化的比值。敏感材料選擇與調(diào)控影響著觸覺傳感器的檢測靈敏度，不同的敏感材料和不同導電填料的質(zhì)量分數(shù)和體積比靈敏度不同。在敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，研究人員們提出了金字塔陣列、微凸結(jié)構(gòu)、互鎖結(jié)構(gòu)等方法來提高傳感器的檢測靈敏度。

圖4 全柔性觸覺壓力傳感器

多功能檢測研究

觸覺傳感器的應用越來越廣泛，對形狀和功能的要求也越來越高。特別是在一些復雜的環(huán)境中，更是需要精準檢測，因此，觸覺傳感器必須具有微型化和多功能性。例如，Lee G等人報道了一種實現(xiàn)可伸縮多模態(tài)裝置的方法，該裝置基于壓電性、摩擦電性和壓阻性的各種電特性，超過了人類的觸覺感知能力。所制備的多功能電子皮膚應用到機械手時，通過對集成刺激的感知和分析，可以實現(xiàn)仿生假肢的材料和紋理識別。

電子皮膚的應用

由于觸覺傳感器的高性能，在智能系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。研究電子皮膚不僅可以實現(xiàn)更智能的機器人，而且在可穿戴設(shè)備和醫(yī)療領(lǐng)域具有重要意義。例如，Cai F等人開發(fā)了一種摩擦電傳感器，該傳感器基于涂有鋁的粗糙聚酯基底，與聚四氟乙烯薄膜接觸，如圖5所示，當放置在胸部時，可以檢測呼吸、監(jiān)測肌肉運動。

圖5 監(jiān)測人體肌肉運動的摩擦電傳感器

研究結(jié)論與展望

目前，國內(nèi)外學者在材料科學、柔性電子和納米技術(shù)方面的研究已經(jīng)取得了長足的進展，對電子皮膚的研制取得了很多成果，靈敏度和柔韌性得到了很大的提升。柔性電子皮膚在可穿戴設(shè)備、智能機器人和健康檢測等領(lǐng)域的應用亦取得了很大進展。

雖然機器人電子皮膚的研究越來越多，但在實際應用中仍存在著挑戰(zhàn)，如高靈敏度、高柔性的電子皮膚制造工藝復雜、成本高和難以批量生產(chǎn)。目前，柔性電子皮膚的發(fā)展仍然受材料與結(jié)構(gòu)的限制，在測量精度上無法與傳統(tǒng)成熟的金屬及半導體傳感器相比。在未來的研究中，需要繼續(xù)探索電子皮膚新材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而實現(xiàn)更加靈活、智能和多功能化的高靈敏度、高柔性電子皮膚。

論文信息：
DOI: 10.13873/J.1000-9787(2023)07-0001-05

審核編輯：劉清