王中林院士ACS Nano：智能觸覺傳感器

【引言】

智能機器人已經有足夠豐富研究環境創建科幻電影中的一些情景。按照預定計劃下一代機器人和傳統的工業機器人不一樣，它們在智能家居設計、外太空探索、和先進的醫療程序中可以自主設計，它們依靠各種各樣的傳感器可以感覺和分析環境。一個智能觸覺傳感器就像一個人的手一樣至關重要，因為它不僅讀取如位置、溫度和形狀等物理特征也可以通過感覺硬度、力和壓力操縱各種物體。傳統的觸覺傳感器可以分為以下幾類：電容性的，壓電的，抗壓力的，光學的。但是有一個主要的問題，在設計這種智能傳感器時需要能源供應，因為在一些極端的環境中比如偏遠地區，未知的世界，充電或更換傳感器電池并不方便，甚至不足以保證完成應用功能傳感器所需的能量。

摩擦電傳感器是基于摩擦生電和在固有功率模式下模式設計檢測微小壓力或運動。由于高靈敏度，質輕，快速響應和較低的檢出限等優點，過去的幾年里在設計和集成測試中已經邁出了一大步。然而，由于解耦干擾信號仍存在困難，復雜信息的同時檢測尚未實現，因此想要構建一種用于人工電子皮膚的靈活性高、低成本、靈敏的傳感器仍是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

最近，中科院北京納米能源與系統研究所和北京科技大學的曹霞教授、王寧副教授及喬治亞理工大學及中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士（共同通訊）在ACS Nano上發表題為“From Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator to Smart Tactile Sensor: A Multiplexing Design”的文章。文章報道了一種以雙模式摩擦電納米發電機為基礎的自供電的、智能的、集成觸覺單元的智能觸覺傳感器。在一個小壓力下（100Pa）獲得六種典型材料的電流信號（≥0.4mA），這個傳感器不僅可以檢測微小的壓力和力，還可以通過形狀變化電流峰值感覺到觸點材料的硬度，使其成為可能創造包含人造皮膚感覺和能力聯系對象。

【圖文導讀】

圖1. 智能觸覺傳感器示意圖

a)設計的的應用示意圖；

b)耦合智能觸覺傳感器工作原理示意圖；

c)制備的智能觸覺傳感器圖片；

d)Ag納米線的SEM圖片。

圖2. 智能觸覺傳感器接觸敏感裝置機理及性能

a) 智能觸覺傳感器接觸敏感裝置簡化等效電路模型；

b) 在不同材料接觸壓力下大約100 Pa，智能觸覺傳感器輸出電流的測試；

c)不同接觸材料電流峰值形狀；

d)不同材料的不同形狀電流峰值的可能機理。

圖3. 智能觸覺傳感器位置傳感的原則和性能

a)位置傳感的原則；

b)不同接觸面積下電壓分布的理論分析；

c)電極a與電極c在16個測試點下的電壓比；

d) 電極b與電極d在16個測試點下的電壓比；

e)測試位置和實際位置之間的比較。

圖4. 智能觸覺傳感器的輸出性能

a)智能觸覺傳感器的短路電流；

b) 智能觸覺傳感器的開路電壓；

c) 智能觸覺傳感器的電位差和帶隙距離的數值模擬；

d)輸出電壓和外加電壓之間的關系。

圖5. 智能觸覺傳感器在動態力傳感下實際響應行為

a,c,e)動態力傳感時間分別為0.4s，0.6s，0.8s；

b,d,f)通過分析測試智能觸覺傳感器的開路電壓測量相應的動態曲線。

【小結】

智能觸覺傳感器是在耦合的雙模式基礎上發展起來的，在工作模式中，單電極單元擔當著接觸傳感器和感應對象對應硬度的角色，而兩電極單元則起到改變壓力的作用。因此，這種互補式的設計可以使傳感器從外物上同時獲得復雜的信息。線型檢測壓力的范圍可以從40N到140N，相關系數可達0.98，當動態力從0.4s變化到0.8s，壓力從55N變化到38N時仍能顯示出良好的動態壓力響應。當嵌入一個單模式摩擦電納米發電機基位置傳感器時，智能觸覺傳感器的平面分辨率可達2mm。這些結果證實了智能觸覺傳感器的能力，可以同時感覺到和解釋接觸、硬度、位置和壓力等復雜的信息，使它成為未來的智能機器人或其他智能設備器件的一個很不錯的選擇。

【文獻鏈接】From Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator?to Smart Tactile Sensor: A Multiplexing Design.( ACS Nano,2017,DOI:?10.1021/acsnano.7b00396)

【通訊作者介紹】

王中林博士是佐治亞理工學院終身校董事教授 (Regents’ Professor),工學院杰出講席教授(COE Distinguished Professor)。王教授是中國科學院外籍院士,歐洲科學院院士，曾榮獲了美國顯微鏡學會 1999年巴頓獎章﹐佐治亞理工學院2000和2005年杰出研究獎﹐2005年Sigma Xi 學會持續研究獎，2001年S.T.Li獎金(美國)﹐2009年美國陶瓷學會Purdy獎，美國自然科學基金會CAREER基金﹐中國首批國家自然科學基金會海外優秀青年科學家基金，教育部“長江”特聘講席教授。王教授是美國物理學會fellow, 美國顯微學會fellow，美國科學發展協會(AAAS) fellow，美國材料學會 fellow。王教授已在國際一流刊物上發表了620篇論文（其中十八篇發表在美國《科學》，英國《自然》和子期刊上）﹐43篇書章節﹐二十項專利，四本專著和二十本編輯書籍和會議文集。他已被邀請做過600多次學術講演和大會特邀報告。他的學術論文已被引用三萬四千次以上。他論文被引用的H因子(h-index)是90。王中林是國際納米科技領域具有重要學術影響的科學家。他的研究具有原創性，前瞻性和引領性。他最近的工作主要集中在納米能源技術， 氧化鋅納米材料的合成，表征，生長機理和應用，納米傳感器和新型器件的原理和應用，以及基于光纖的三維隱蔽型太陽能電池。?

我們生活的環境中充滿了各種各樣的能量，例如震動能，形變能，肌肉活動能，化學能，生物能，微風能，太陽能，熱能等。如果我們利用納米技術可以把這些無時不有處處有的能量轉換為電能來帶動一些小型的電子器件，就可以制造出自驅動的微納系統。因為納米系統具有微小而且可植入體內等特性，所以它的供電系統必須是小型化的。為了解決這個問題，王中林小組2005年開始研究如何用納米結構來把機械能轉換為電能。【1，2】2007年成功首次研發出由超聲波驅動的可獨立工作的直流納米發電機。【3】2008年，研發出可以利用衣料來實現發電的“發電衣”的原型發電機【4，5】，真正實現了“只要能動，就能發電”。【6】納米發電機的發明可以被視為利用納米壓電發電科學現象到實際應用發展過程中的一個重大里程碑。研究貫徹的是從科學到工程，到技術，再到商業化的一條龍研發路線。納米發電機的發明被中國兩院院士評為2006年度世界科學十大科技進展之一；2008年，被英國《物理世界》評選為世界科技重大進展之一；2009年，《MIT Technology Review》評選為十大創新技術之一;《Science Watch》在有關能源和燃料的一刊中重點報道了納米發電機的過程和重大意義；英國《新科學家》期刊把納米發電機評為在未來十到三十年以后可以和手機的發明具有同等重要性和影響的十大重要技術之一。美國自然科學基金會2007年向總統和國會申請2008年65億美元研究經費的前沿總結里第一條重大研究成果(Research that benefits the nation一欄)就是我們的納米發電機。?
[1] Z.L. Wang “Self-powering nanotech”, Scientific American, 298 (2008) 82-87.?
[2] Z.L. Wang and J.H. Song??“Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays”, Science, 312 (2006) 242-246.?
[3] X.D. Wang, J.H. Song J. Liu, and Z.L. Wang* “Direct current nanogenerator driven by ultrasonic wave”, Science, 316 (2007) 102-105.?
[4] Y. Qin, X.D. Wang and Z.L. Wang* ”Microfiber-Nanowire Hybrid Structure for Energy Scavenging”, Nature, 451 (2008) 809-813.?
[5] R.S. Yang, Y. Qin, L.M. Dai and Z.L. Wang * “Flexible charge-pump for power generation using laterally packaged piezoelectric-wires”, Nature Nanotechnology, 4 (2009) 34-39.?
[6] S. Xu, Y. Qin, C. Xu, Y.G. Wei, R.S. Yang and Z.L. Wang “Self-powered nanowire devices”, Nature Nanotechnology, on line.?

本文由材料人編輯部新能源小組Jane915126供稿，材料牛編輯整理。

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