超靈敏壓力傳感器：單點(diǎn)觸滑雙模傳感新突破

超感官知覺這種說辭出現(xiàn)在不少的科幻影視作品中，各種天馬行空的想象力促進(jìn)了科技智能化的快速發(fā)展。在《阿麗塔，戰(zhàn)斗天使》中的智能裝備改造人阿麗塔不再是冰冷的機(jī)器，而是擁有更像人類的氣息與觸覺，通過更高密度的力量反饋以及材質(zhì)感應(yīng)器使阿麗塔手臂的觸覺更加靈敏，使改造人能感知到他們所觸摸的東西?？苹糜耙曌髌分袠O為震撼的場面，給我們提供了感官上的炫酷體驗(yàn)，并讓我們?yōu)橹裢?/p>

回到我們腳下的大地，全球人類仍在智能傳感器領(lǐng)域進(jìn)行著各種科技探索。在智能機(jī)器人領(lǐng)域中，觸覺傳感器成為抓握的核心元件，其通過物理接觸實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的互動。近年來，傳感技術(shù)從剛性逐漸向著柔性、高靈敏、多功能化的方向發(fā)展。與人體皮膚類似，智能觸覺傳感器應(yīng)能夠準(zhǔn)確識別各種接觸力，從而有效地控制目標(biāo)物體為機(jī)器人提供類似人類的抓取能力。然而，由于高靈敏度及數(shù)據(jù)解耦要求，開發(fā)單點(diǎn)檢測不同模式接觸力的觸覺傳感器是非常困難的。因此，同時(shí)實(shí)現(xiàn)法向壓力和滑動檢測對觸覺傳感器的工藝、性能及數(shù)據(jù)分析技術(shù)均提出了重大挑戰(zhàn)。

北京航空航天大學(xué)潘曹峰團(tuán)隊(duì)和北京納米能源與系統(tǒng)研究所鮑容容團(tuán)隊(duì)及其博士生劉月等人通過相轉(zhuǎn)化-犧牲模板法實(shí)現(xiàn)了觸覺傳感器的超高靈敏度，并通過對輸出信號進(jìn)行小波變換實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜接觸狀態(tài)的單點(diǎn)多模態(tài)傳感。實(shí)現(xiàn)單元像素點(diǎn)的多模態(tài)傳感，有兩個(gè)必要條件。首先，類似于神經(jīng)信號采集，需要低級處理，有必要通過高靈敏傳感器檢測觸覺信號的詳細(xì)信息；其次，感知還需要大腦進(jìn)行高級分析，其中涉及信息整合和特征提取，即需要后續(xù)的信號處理在時(shí)域和頻域上對信號同時(shí)做出分析。

鑒于此，相轉(zhuǎn)化-犧牲模板法只需要基本的實(shí)驗(yàn)儀器，靈敏層即可在10 s內(nèi)一步成型。經(jīng)驗(yàn)證，其適用于TPU、PS、PAN等多種材料，所制備膜的可控性和通用性可以根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)和性能期望應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。并且，構(gòu)建了1167 kPa-1超高靈敏度的壓力傳感器，經(jīng)驗(yàn)證，該觸覺傳感器可同時(shí)檢測到成年女性頸動脈脈搏和呼吸頻率的微弱波動。

基于信號精細(xì)采集，進(jìn)一步結(jié)合小波變換對觸/滑覺信號進(jìn)行頻域特征提取，通過高級處理實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體多模態(tài)的判斷。經(jīng)驗(yàn)證，該壓力傳感器可通過單元器件區(qū)分物體的靜壓狀態(tài)及滑動瞬時(shí)刻，后期通過反饋系統(tǒng)集成，可使機(jī)器人根據(jù)物體質(zhì)量的變化調(diào)整抓握力，從而實(shí)現(xiàn)可控抓握。

研究者相信，此項(xiàng)研究將會為傳感器靈敏層的制備及信號分析方式打開一扇窗戶，并為多模態(tài)觸覺傳感器的發(fā)展提供新的思路。該領(lǐng)域的迅速發(fā)展將賦予機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、嗅覺、味覺等對外部環(huán)境的多種感知能力，為人機(jī)交互提供更為自然和智能的體驗(yàn)。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Materials上，并于當(dāng)期Inside Front Cover做簡要介紹。

審核編輯：黃飛