具有同時檢測多種刺激能力的類皮膚傳感器在前沿人機交互中具有巨大的潛力。然而，實現超越人類觸覺感知的多模態(tài)觸覺識別仍面臨重大挑戰(zhàn)。在此，來自廣西大學的聶雙喜研究團隊于國際著名學術期刊Nature Communications（IF=14.7）合作發(fā)表了論文Triboelectric tactile sensor for pressure and temperature sensing in high-temperature applications。該團隊開發(fā)了一種適應極端環(huán)境的多模態(tài)摩擦電傳感器，能夠檢測超出人類感知范圍的壓力/溫度。該傳感器基于摩擦電納米發(fā)電機技術，設計了一個不對稱結構，能夠獨立輸出雙信號，以提高感知靈敏度。通過將信號和刺激轉換為特征矩陣，實現了對復雜物體（識別率為94%）和高溫下溫度的并行感知。所提出的多模態(tài)摩擦電觸覺傳感器在最大檢測范圍和快速響應方面取得了進展，實現了人類皮膚高溫感知的上限（60°C），其工作溫度為200°C。該自供電多模態(tài)感知系統(tǒng)為人機/機器人/環(huán)境交互應用提供了更廣泛的可能性。

圖 文 導 讀

在此研究中，研究團隊受到撒哈拉銀螞蟻（Cataglyphis bombycina）的啟發(fā)，這些昆蟲能夠在高溫環(huán)境中保持多感官感知，他們開發(fā)了一種摩擦電傳感器，使其能夠在極高溫度下自適應觸覺感知，超越人類觸覺的極限（圖1a，b）。研究表明，當生物體受到機械和熱刺激時，離子通道的開關會產生生理電信號，從而促進環(huán)境感知。此外，摩擦電信號與機器學習算法相結合，實現了物體識別。由于不對稱結構和耐熱感應材料的設計，該摩擦電傳感器表現出快速的應力響應和恢復時間，分別為70 ms和58 ms。其最大工作溫度可達200°C，遠遠超出了人類皮膚的高溫感知極限（60 ℃）。此外，通過將摩擦電傳感器集成到機器人手上，實現了在高溫下對壓力和溫度的實時響應。本研究不僅解決了長期以來利用摩擦電實現高溫下精準壓力和溫度感知的挑戰(zhàn)，還推動了極端環(huán)境下高效智能系統(tǒng)的發(fā)展。 圖1 仿生摩擦電傳感器的原理圖 ? ? ? 人類皮膚通過機械受體和溫度受體區(qū)分機械和熱刺激，實現觸覺和溫度刺激的時空識別，以確保在復雜環(huán)境中實現安全有效的人機交互（圖2a）。為了模擬自然觸覺，理解和利用影響生物皮膚感知特性的關鍵因素至關重要。受到高溫銀螞蟻以及皮膚機械受體和溫度受體及其感知機制的啟發(fā)，利用外部刺激下的電荷轉移生成電信號，設計了一種適應極端環(huán)境的壓力/溫度響應摩擦電傳感器。該觸覺傳感器由一個壓力感應摩擦電納米發(fā)電機（P-TENG）和一個溫度感應摩擦電納米發(fā)電機（T-TENG）組成（圖2b）。基于接觸電化學原理，該多模態(tài)傳感器通過利用T-TENG的穩(wěn)定接觸區(qū)域，避免了力的干擾。通過利用壓力和溫度響應機制的耦合但低交叉靈敏度，它能夠明確區(qū)分觸覺和溫度電信號，同時展示出高靈敏度和高溫抗性（圖2c），為在極端環(huán)境中響應多種刺激提供了可能性。 ? ? 當受到壓力和溫度刺激時，傳感器中具有不對稱結構的摩擦電材料相互接觸，導致電荷轉移并進一步生成相應的電信號（圖2d）。為了展示摩擦電觸覺傳感器在物體多模態(tài)感知和信息反饋中的應用，五個微型傳感器通過激光打印的柔性和可拉伸電極組裝在機器人手上（圖2e），使得物體形狀和溫度識別變得靈活。 圖2 超越人類觸覺感知的極端環(huán)境適應性壓力/溫度響應摩擦電傳感器 ? ? ? 摩擦電傳感器的制備過程，如圖3a所示，能夠響應極端環(huán)境中的壓力/溫度。采用兩步封裝策略設計了一個結構不對稱的雙層傳感器。為了實現極端條件下的自適應響應，本研究采用了柔性、耐高溫的硅膠作為外殼，以促進對壓力刺激的快速響應（圖3ai）。 圖3壓力傳感 ? ? ? 溫度影響摩擦電信號的大小，因此開發(fā)了T-TENG以響應溫度刺激。圖4a展示了T-TENG的結構和工作機制。在熱刺激下，摩擦電材料的溫度升高，導致存儲電荷的無序耗散。該現象通過高溫下的電子云模型進一步解釋（圖4b）。當兩種材料接觸時，電子云重疊，初始的單一勢阱變?yōu)椴粚ΨQ的雙勢阱，電子轉移生成摩擦電信號。在這種背景下，改進的熱電子發(fā)射模型表明，T-TENG的輸出電壓隨著溫度的升高而降低，這有助于溫度感知，因為溫度升高導致摩擦電荷的發(fā)射。 圖4 溫度傳感 ? ? ? 在實際應用中，需要同時獨立地檢測多個刺激。多個耦合刺激之間的信號干擾會影響傳感器的準確性，這要求傳感器具有低交叉干擾和穩(wěn)定的解耦能力（圖5a）。討論了在固定壓力和不同溫度下，多模態(tài)摩擦電傳感器的信號干擾（圖5b）。與理論結相比，P-TENG和T-TENG因溫度干擾產生的交叉耦合誤差分別小于0.4%和3.2%，表明壓力和溫度之間具有低交叉靈敏度。 圖5 單一摩擦電傳感器中的壓力-溫度解耦和雙模態(tài)感知 ? ? ? 機器人技術利用多模態(tài)傳感器并結合人工智能技術，解鎖跨學科領域的智能數據分析，實現復雜的手勢和物體識別。因此，為了更好地展示觸覺傳感器在實際場景中的壓力/溫度響應能力，傳感器被集成到機器人手的五個指尖中，形成一個智能觸覺系統(tǒng)，用于識別未知物體（圖6a）。 圖6 高溫環(huán)境中的觸覺感知 ? 結論與展望 ? ? 該研究展示了一種摩擦電觸覺傳感器，能夠響應超出人類觸覺感知范圍的壓力/溫度，適用于極端環(huán)境。該觸覺傳感器基于摩擦電納米發(fā)電機技術，采用穩(wěn)定的纖維素摩擦電材料在高溫下工作，并設計了一個不對稱結構，可以獨立輸出雙信號，實現高溫環(huán)境中的多重刺激響應。該設備實現了無需外部電源的人機交互的實時數字響應。然而，這項工作仍處于初步研究階段，通過跨學科集成（如設計隔熱和阻燃材料、擴展無線插件等），還可以在極端環(huán)境中實現更復雜的應用。該傳感器的可調節(jié)尺寸特性有助于規(guī)模化集成。結合機器學習技術，能夠進一步精確識別高溫環(huán)境中物體的形狀和溫度。所提出的自供電多模態(tài)傳感系統(tǒng)為發(fā)展前沿技術提供了設計思路。 ? ?

論 文 信 息

Title:Triboelectric tactile sensor for pressure and temperature sensing in high-temperature applications Authors:Yanhua Liu, Jinlong Wang, Tao Liu, Zhiting Wei, Bin Luo, Mingchao Chi, Song Zhang, Chenchen Cai, Cong Gao, Tong Zhao, Shuangfei Wang & Shuangxi Nie Journal:Nature Communications DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-55771-0

審核編輯 黃宇