中科院北京納米能源與系統研究所AFM：利用人體對周圍電磁波的增強感應，直接可視覺觸覺感知和超靈敏觸覺傳感器

【前言】

使用電子系統模擬人類感知是人工智能和人機交互的關鍵組成部分。在所有人類感官中，大量的努力都集中在實現觸覺感知上，與其他感官相比，這是一項更具挑戰性的任務。高性能觸覺傳感器可應用于多種技術，如安全監控、工業自動化、智能機器人、電子皮膚等。隨著各種功能材料的出現，許多具有高拉伸性、自愈合或自供電能力等新特性材料也被應用于觸覺傳感器。除了材料創新，許多不同的物理機制也被用作觸覺傳感器的傳導原理，包括壓阻、可變電容，甚至接觸帶電效應。不同物理機制的引入可以進一步刺激高性能觸覺傳感器的發展。觸覺傳感技術在工業領域的關鍵目標是實現高分辨率和高靈敏度，同時簡化系統的復雜性。因此，不斷實驗不同的傳導機制來實現觸覺感知是觸覺傳感器發展的一項必要任務，這可以促進智能手機、人機交互等領域的應用。

在過去的幾年中，基于麥克斯韋位移電流和靜電場的傳感技術作為一個新興的研究方向受到了極大的關注。基于摩擦電納米發電機(TENG)的感應型傳感器是利用麥克斯韋位移電流的最具代表性的技術之一。這些基于TENG的傳感器可以產生大的電壓輸出，以提高檢測靈敏度，同時降低能耗。然而，由于電荷泄漏和交叉互感， TENG靜電數據的采集系統的復雜性會顯著增加。因此，研究人員非常希望開發一種改進的方法，能夠繼承這些TENG基傳感器的優點并避免其缺陷。

【成果簡介】

近期，來自中科院北京納米能源與系統的陳翔宇研究員和王中林院士（共同通訊）團隊在Advanced Functional Materials上發表文章，題為：Directly Visualizing Tactile Perception and Ultrasensitive Tactile Sensors by Utilizing Body‐Enhanced Induction of Ambient Electromagnetic Waves。利用天線收集電磁波能量的技術是一個由來已久的研究方向，但利用電磁波來提供觸覺傳感的觸發源卻是一個新的研究切入點。這是該課題組首次提出的新器件設計，可為之前基于納米發電機的傳感技術提供輔助與支持。他們在實驗中發現通常被認為是電磁噪聲的環境電磁信號可以成為實現觸覺檢測的良好觸發源。觸覺識別是許多應用的關鍵技術，因此可視化的觸覺傳感有重要的研究意義。由兩個發光二極管(LEDs)組成的電路被設計為傳感器單元，人體接觸可以放大該電路中電磁波感應的靜電信號，從而增強LED的亮度。因此，基于這種策略可以實現觸覺的可視化傳感。在此基礎上，通過所制備的集成于手指上的可拉伸半透明微型傳感矩陣，實現了對微小物體觸碰點及物體形狀的傳感檢測，其最小有效檢測觸碰力可小于0.001牛頓。另外，基于這種傳感方法，結合具有良好拉伸性的導電水凝膠和彈性電極材料，研究人員同時展示了相應的器件對于滑動軌跡和壓力變化的檢測和可視化傳感，表明了該項傳感技術在實現不同目的應用上的良好適用性。電磁波普遍存在于我們的生活和工作環境，因而基于這種策略的觸覺傳感器有很大潛力被應用于許多領域，如工廠自動化、智能機器人、人機交互等。

【圖文導讀】

圖1. LED傳感器器件工作原理

a) 器件工作機制示意圖；

b) 當接觸節點被人體觸摸時，發光二極管的亮度變化；

圖2. 傳感器單元電路特性表征

a) 不同尺寸的鋁箔天線和連接到傳感器電路的鋁箔示意圖相片；

b) 不同尺寸鋁箔連接到傳感器單元時電路的電流變化；

c) 在鋁箔和接觸節點之間串聯不同電阻值時的電路電流信號；

d) 在人手和接觸節點之間串聯不同電阻值時的電流信號；

e) 不同尺寸節點電極被人手觸碰時的動態電流；

圖3. 半透明可拉伸微型傳感陣列用于觸點的可視化檢測

a) 微型傳感結構與材料；

b) CF-AgNW電極的SEM圖像和集成在人手指上的傳感陣列照片；

c) AgNW-CF電極的透光率；

d) 當針觸碰陣列上點時，九個LED單元的電流信號；

圖4. 結合PCB板用于觸碰點的檢測

a) PCB圖；

b,c,d) 當矩陣被附著于手指上的微小導電物體觸摸時64個LED單元的電流信號變化；

圖5. 結合水凝膠對滑動軌跡的可視化感知

a) 條形導電水凝膠示意圖；

b) 導電物體在條形導電水凝膠上滑動時，兩個LED單元的光強；

c) 觸覺傳感器的電路圖；

d) 兩個傳感器電路響應滑動位置的信號變化；

e) 當導電物體從E1到E2滑動時，兩個LED傳感單元的電路電流變化；

圖6. 壓力變化的可視化檢測

a) 多孔彈性電極的材料構造；

b) 多孔結構的顯微圖像；

c,d) 多孔彈性電極的實物照片；

e) 電極響應不同壓力的導電性變化

f) 電極響應不同施加壓力時的傳感器單元的電流信號

g,h) 施加力讀數變化和對應發光二極管亮度變化的照片: g )接觸前和h )接觸時；

i) 隨著施加在電極上的壓力增加，電路中的電流的變化；

【小結】

本論文提出了由兩個串聯的發光二極管組成的簡單電路，該電路可以被設計成傳感器單元來檢測各種觸覺接觸，其中環境電磁信號作為觸發信號工作。電磁波在這個傳感器電路中感應出靜電信號，人類或其他介質的接觸運動可以放大這種感應效應。然后，LED的指數特性導致在電磁信號激勵下電流信號的強烈增強，通過觀察LED的亮度變化可以實現觸覺的可視化傳感。通過使用這種傳感器單元，研究人員設計了一個可拉伸半透明傳感器矩陣來檢測微小觸碰點。接觸節點的最小直徑約為0.1 mm，傳感器單元可以清晰識別接觸力小于0.001N的觸摸力。此外，水凝膠條和彈性電極被結合到該傳感器單元，用于滑動軌跡和接觸壓力的檢測和可視化。由于電磁波普遍存在于我們周圍環境，有助于該觸覺傳感器的連續工作。因此，這種傳感方法的高靈敏度、簡單的組件和可視化能力可以在工業自動化、機器人皮膚、人機交互、安全監控等領域打開各種應用。

文獻鏈接：Directly Visualizing Tactile Perception and Ultrasensitive Tactile Sensors by Utilizing Body‐Enhanced Induction of Ambient Electromagnetic Waves, (Advanced Functional Materials, 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805277).

本文由材料人電子電工組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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