讓科幻走進現實——基于納米材料的仿生觸覺傳感器探秘

1 前言

通過與物體的物理接觸獲取信息的可穿戴觸覺傳感器在機器人、醫療保健監控和可穿戴設備應用方面的潛在應用引起了人們極大的關注。受到生物觸覺感受系統的啟發，近年來比較火熱的研究方向是觸覺傳感器的設計的制備。人類皮膚是觸覺感官研究的一個重要標準，因為它復雜的觸覺感知能力是由各種機械感受器的結構和功能特征促成的。這些機械感受器通過穿過細胞膜的離子通道將物理刺激轉化為電信號。隨后，這些電信號由感知神經元傳遞到中樞神經系統，以超低功耗的方式進行翻譯和進一步處理。為了提供類似于人類皮膚的感知能力，與機械感受器的測量和轉換機制以及神經網絡信號處理相關的仿生技術已經得到了廣泛的研究。前者涉及材料和傳感器的結構設計，提高靈敏度和機械耐用性。從小分子和聚合物到超薄硅和無機導體，各種各樣的材料被用于在柔性基底上制備人工受體。機械性能相對較差的材料導致傳感器不夠耐用，限制了其應用。在納米材料中作為替代材料，比如碳納米管（CNTs）和二維材料已經在柔性高性能傳感器中進行了廣泛的研究。后一種方法涉及設計基于神經元和突觸的生物感受機制的感覺系統。從晶體管、憶阻器等神經形態器件到脈沖神經網絡等各種方法都被用來研究觸覺感受系統的有效信號處理和低功耗操作。在此，筆者提供了一個簡要的以納米材料為基礎的仿生高性能觸覺感受系統的概述。

2?人工觸覺感應方法

觸覺傳感器需要高度柔性和靈敏，以感知接觸力和獲得足夠的觸覺信息，特別是在與未知的物體或表面交互時。觸覺傳感器的研究主要集中在能夠檢測智能機器人和可穿戴健康監護系統應用的非常小的接觸力的柔性和敏感器件的開發上。此外，在傳感器材料、器件設計、轉換方法、信號傳輸和數據分析等方面的研究也取得了巨大的進展。目前生產的主要類型的觸覺傳感器是基于壓阻、壓電、摩擦電、電容、光學和磁傳感方法，來檢測物體的形狀、紋理和力。

作為傳感器的重要實例，使用金屬或半導體材料作為傳感元件的壓阻型觸覺傳感器得到了廣泛的應用。盡管其結構簡單，但表現出較高的靈敏度和穩定性。Park等人報道了一種由原子級厚度的MoS₂應變片和有源矩陣(AM)背板電路組成的大面積柔性壓阻傳感器陣列。MoS₂是一種具有代表性的二維半導體材料，具有優異的機械性能，使得所得到的傳感器陣列能夠與薄而軟的聚合物襯底集成，從而實現電子皮膚等多種可穿戴應用。此外，由于串擾較低，觸覺傳感器陣列顯示出較高的多觸點靈敏度，可以成功地檢測到人手抓取的物體形狀。^[1]?為了開發一種與皮膚彈性相似的觸覺傳感器，Wang等人展示了一種基于本質可拉伸聚合物和導電CNTs的高分辨率觸覺傳感器。整合掃描和數據連接線路組成的高的器件集成密度提供高分辨率的感知能力，類似于人類皮膚的感覺受體。^[2]

圖1. 用于壓阻傳感的觸覺傳感器

隨著對各種可穿戴應用(如醫療監護儀)中無需外部供電的傳感器的需求增加，利用壓電和摩擦電效應的傳感器的研究也在繼續。壓電效應是通過在機械變形下形成一個偶極子來產生電力，它已經被用于各種方式來實現對機械刺激高度敏感的觸覺傳感器。近年來興起的一個研究熱點——TENGs，與依賴于偶極形成的壓電效應產生的電相反，TENGs利用兩種材料之間的電負性差產生電。因此，由于TENGs的發電機理不同于壓電納米發電機，所以可以在較小的外部刺激下產生響應性非常好的輸出電壓。基于納米材料的摩擦電納米發電機能夠將超薄器件集成在柔性織物或皮膚上，用于可穿戴應用。Lee等人報道了一種基于石墨烯電極的結構和負泊松比的輔助設計的器件，該器件促進了與皮膚的適型接觸和良好的拉伸性(高達13.7%)，允許在嚴重變形下穩定運行。良好的輸出特性和高機械拉伸能力使該器件可以作為一個自供電的、可穿戴的觸摸輸入器件，通過簡單的觸摸傳遞信息。此外，過渡金屬硫族化物(TMDC)材料，如MoS₂，MoSe₂、WS₂和WSe₂由于其不對稱的結構，最近也被發現其表現出摩擦電效應。許多研究人員嘗試使用2D TMDCs用于超薄TENG觸覺傳感器，用于自供電的可穿戴應用，這一目標是通過利用這些材料的單原子厚度所產生的優異機械性能實現的。^[3]

圖2. 基于石墨烯輔助設計的可穿戴可拉伸摩擦電動納米發電機(TENG)觸覺傳感器

3?模擬機械功能

人體皮膚中的感覺器官被稱為“機械感受器”，它能將來自外部環境的物理刺激高效地轉換為感受器電位。快自適應(FA)和慢自適應(SA)脈沖分別通過離子通道響應動、靜態力；然后這些脈沖通過神經元傳遞到大腦。大腦對這些信號的分析決定了人們對來自環境的物理刺激的感知方式。近年來，許多研究人員模仿人體皮膚機械感受器的功能，開發出低功率、高靈敏的人工觸覺感覺系統。

Tee等人展示了一種人工機械感受器，在柔性聚合物襯底上它由壓阻式壓力傳感器和的電壓控制有機振蕩器組成。該金字塔形壓力傳感器由柔性碳納米管和聚氨酯復合材料組成，能夠在較寬的壓力范圍內靈敏地檢測外界刺激。有機振蕩器將模擬壓力刺激轉換成數字頻率信號，其方式類似于SA觸覺感受器的反應。材料的機械柔性使器件能夠集成到可穿戴手套中。此外，傳感器的輸出可以用電和光發生脈沖刺激離體神經元，這些光發生脈沖對應一系列人類動作電位頻率。^[4]

圖3. 集成柔性碳納米管（CNT）-聚氨酯作為微結構電阻觸覺傳感器和壓控振蕩器的皮膚數字機械感受器。

壓電陶瓷型和壓阻型觸覺傳感器可以探測到類似SA機械感受器的靜壓刺激。但是，與FA機械感受器不同，它們測量動態力的能力有限。由于這些傳感器的輸出信號隨外加壓力的強度有效地變化，因此利用壓電或摩擦電傳感器可以克服這些傳感器檢測動態壓力的固有缺陷。Chun等人報道了一種觸覺傳感器陣列，它能夠對靜態(壓力)和動態(振動)刺激進行靈敏度檢測。該陣列由兩種不同類型的傳感器組成：一種是檢測壓力刺激的互鎖滲透石墨烯的高密度壓阻傳感器陣列，另一種是由高分子聚（乙烯石腦油）（PEN）和聚四氟乙烯（PTFE）薄膜制成的TENG，用于測量振動，從而模擬SA和FA機械感受器。兩個人工機械感受器產生的輸出信號類似于人類的神經尖峰信號，能夠將觸覺數據從傳感器高效傳輸到更高的感知水平。^[5]

圖4. 由摩擦電和壓阻傳感器組成的自供電觸覺傳感器

4?仿生信號處理機制

除了開發仿生結構材料和模擬機械感受器功能的器件外，模擬高效傳感系統相關信號過程的系統也在研發中。皮膚中的機械感受器對外部物理刺激產生被稱為“動作電位”的電信號。開發一種能夠模擬神經元功能的人工突觸，將使基于神經網絡的神經形態計算具有可控性和低功耗。但是人工感官網絡的集成度可能會受到限制，因為受體傳感器和神經形態器件（如晶體管和記憶電阻器）分別集成在器件襯底上。Wu等人報道了具有綜合學習和可變記憶能力的自供電觸覺系統。器件由一個簡單的發動機組成，在沒有外部電源的情況下產生增壓電脈沖。在摩擦層上涂覆還原石墨烯（RGO）代表了該器件的關鍵結構和功能特征。rGO是一種能記憶大量信息的電子體陷阱。因此，含有rGO的TENG器件同時充當受體和突觸，而不需要單獨的神經形態回路。包括RGO在內的組成材料的良好的機械柔韌性使器件能夠集成在人的手指上。組裝好的傳感器使用戶能夠記錄與手指先前和當前動作相關的信息，這是可穿戴智能手套的必要功能。^[6]

圖5. 智能自供電神經形態傳感器

5 展望

研究人員模擬人體皮膚觸覺感知系統的結構和功能，以開發可穿戴式人工觸覺傳感器，執行與環境的物理交互任務。此外，基于多種轉換方法的可穿戴觸覺傳感器，如壓阻、壓電和摩擦電，已在多種應用中得到證明，包括用于機器人的電子皮膚、智能手套和可穿戴設備的觸摸輸入。最近，科研人員進一步研究了模擬人類大腦的神經形態計算方法，目的是開發高性能、低功耗的觸覺感知系統。盡管最近取得了相當大的進展，但在可穿戴觸覺感知系統能夠有效地應用于實際設備之前，還需要克服許多挑戰。

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本文由Nano optic供稿。

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