研究背景
在人工智能與機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的背景下，觸覺感知系統(tǒng)作為機(jī)器人與環(huán)境進(jìn)行智能交互的關(guān)鍵接口，其重要性日益凸顯。傳統(tǒng)觸覺傳感器雖然能在常溫環(huán)境下有效工作，但在高溫等極端環(huán)境中往往難以保持穩(wěn)定性能，這嚴(yán)重制約了機(jī)器人在特殊工況下的應(yīng)用。摩擦納米發(fā)電技術(shù)憑借其獨(dú)特的工作機(jī)理，為開發(fā)新型環(huán)境適應(yīng)性觸覺傳感器提供了創(chuàng)新途徑。
在這一技術(shù)革新中，紙基摩擦電材料展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。紙張作為性能優(yōu)異的摩擦電材料，不僅具備可再生、可降解、生物相容等環(huán)境友好特性，更重要的是，其分子結(jié)構(gòu)中β-D-吡喃葡萄糖環(huán)上豐富的羥基賦予了材料優(yōu)異的極化性能及其本征耐高溫特性，這些特點(diǎn)使紙基摩擦電材料在高溫觸覺傳感領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，有望成為替代傳統(tǒng)石油基合成聚合物的理想選擇，為解決高溫環(huán)境下的觸覺感知難題提供全新的材料基礎(chǔ)和技術(shù)方案。
文章概述
近日，廣西大學(xué)劉艷華等人設(shè)計(jì)了一種超越人類觸覺感知的極端環(huán)境自適應(yīng)的摩擦電傳感器。利用高溫下穩(wěn)定的纖維素摩擦電材料，設(shè)計(jì)了可獨(dú)立輸出雙重信號(hào)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高溫下壓力與熱刺激的并行感知。這項(xiàng)成果以題為“Triboelectric tactile sensor for pressure and temperature sensing in high-temperature applications”發(fā)表在了《Nature Communications》上。廣西大學(xué)為唯一完成單位，2022級(jí)博士生劉艷華為本研究第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，王金龍、劉濤、韋芷婷、羅斌、遲明超、張松、蔡晨晨、高聰、趙桐等同學(xué)參與研究。
圖文導(dǎo)讀
1 摩擦電傳感器的仿生靈感
撒哈拉銀蟻是一種能夠在高溫環(huán)境中保持多感官知覺的昆蟲，這種對(duì)惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力為高溫環(huán)境下觸覺傳感器的設(shè)計(jì)提供了靈感。此外，人類皮膚通過機(jī)械和溫度感受器來區(qū)分機(jī)械和熱刺激，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸和溫度刺激的大小和位置的時(shí)空識(shí)別，以確保與復(fù)雜環(huán)境的安全有效的人機(jī)交互。當(dāng)皮膚因機(jī)械力變形與溫度刺激時(shí)，對(duì)應(yīng)的離子通道打開，離子流動(dòng)，從而形成生理電信號(hào)。受此啟發(fā)，利用外界刺激下摩擦電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移進(jìn)而產(chǎn)生電信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了極端環(huán)境自適應(yīng)的壓力/溫度響應(yīng)的摩擦電傳感器。
圖1. 仿生原理示意圖
2 極端環(huán)境自適應(yīng)摩擦電觸覺傳感器的設(shè)計(jì)
該觸覺傳感器由感知壓力的摩擦納米發(fā)電機(jī)（P-TENG）和感知溫度的摩擦納米發(fā)電機(jī)（T-TENG）組成。多模態(tài)傳感器利用T-TENG有限的接觸面積避免了力的干擾，且通過雙層結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定的材料屏蔽了熱刺激對(duì)信號(hào)輸出的破壞。單電極模式運(yùn)行的每層傳感器產(chǎn)生獨(dú)立的信號(hào)，從而能清晰、無干擾的采集并區(qū)分觸覺與溫度的電信號(hào)，展現(xiàn)出靈敏與耐高溫特性，為極端環(huán)境下的多種刺激響應(yīng)提供了可能。將微型傳感器通過激光打印的柔性可拉伸電極組裝在機(jī)械手上，展示了摩擦電觸覺傳感器在物體多模態(tài)感知和信息反饋的應(yīng)用。
圖2. 超越人類觸覺感知的極端環(huán)境自適應(yīng)壓力/溫度響應(yīng)摩擦電傳感器
3 壓力響應(yīng)行為
通過兩步封裝策略設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙層傳感器以實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的同時(shí)感測(cè)。本工作將結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的彈性硅膠作為外殼實(shí)現(xiàn)壓力刺激的快速響應(yīng)。進(jìn)一步制備了不同尺寸的傳感器，研究發(fā)現(xiàn)摩擦電性能隨著尺寸增加呈線性增長(zhǎng)。對(duì)P-TENG施加壓力，應(yīng)力壓縮與恢復(fù)的響應(yīng)時(shí)間分別為70ms和 58ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人類對(duì)觸覺刺激的響應(yīng)時(shí)間（139ms）。當(dāng)壓力小于8.36kPa時(shí)，摩擦電信號(hào)的靈敏度為9.21kPa?1。在200°C進(jìn)行2000次循環(huán)測(cè)試后，傳感器的輸出性能沒有明顯變化，證明了P-TENG的耐用性和魯棒性。
圖3. 壓力傳感
4 溫度響應(yīng)行為
表面平整的具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的纖維素膜與FEP分別作為正負(fù)摩擦電材料，受環(huán)境溫度的刺激，材料儲(chǔ)存的電荷發(fā)生無序耗散，輸出電壓下降。T-TENG傳感器靈敏度的線性度為0.997，且表現(xiàn)出壓力不敏感性。傳感器信號(hào)隨著溫度的變化表現(xiàn)出高度一致性，并且在加熱-冷卻循環(huán)期間觀察到高度可重復(fù)的輸出電壓，證明了傳感信號(hào)對(duì)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)自適應(yīng)性。T-TENG傳感器具有寬范圍及超越人類皮膚的溫度傳感能力（25-200°C），優(yōu)于文獻(xiàn)中報(bào)道的自供電溫度傳感器，為極端環(huán)境下的溫度感知及人機(jī)交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。
圖4. 溫度傳感
5 壓力-溫度多模態(tài)傳感
在實(shí)際應(yīng)用中需要同時(shí)和獨(dú)立地檢測(cè)多個(gè)刺激，這要求傳感器對(duì)耦合信號(hào)具有低的交叉干擾和穩(wěn)定的解耦能力。與理論結(jié)果相比，P-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于0.4%，T-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于3.2%。多模態(tài)摩擦電傳感器的線性依賴性構(gòu)建的特征矩陣用于多重信號(hào)的穩(wěn)定解耦。演示了摩擦電傳感器在多重耦合刺激復(fù)雜場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)響應(yīng)，驗(yàn)證了摩擦電傳感器對(duì)溫度和壓力信號(hào)具有低交叉敏感性。
圖5. 在單個(gè)摩擦電傳感器中實(shí)現(xiàn)壓力-溫度解耦和雙峰傳感
6 高溫環(huán)境下的實(shí)時(shí)物體識(shí)別
將傳感器集成在機(jī)械手的五個(gè)指尖上構(gòu)成智能觸覺系統(tǒng)，進(jìn)行未知物體的識(shí)別。該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制機(jī)械手同步模擬手的各種運(yùn)動(dòng)，向用戶提供空間分布的觸覺反饋，為代替人類在復(fù)雜極端環(huán)境下執(zhí)行潛在的危險(xiǎn)任務(wù)提供了思路。機(jī)械手內(nèi)側(cè)的摩擦電傳感器抓握不同溫度和形狀的物體時(shí)，獲取完全不同的信號(hào)。由于抓握習(xí)慣，每個(gè)指尖的個(gè)數(shù)及用力大小不同，輸出信號(hào)也不盡相同。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與觸覺傳感器相結(jié)合，傳感系統(tǒng)顯示出優(yōu)異的識(shí)別性能，平均識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了94%。
圖6. 高溫環(huán)境下的觸覺感知
結(jié)論
總之，這項(xiàng)工作展示了一種適用極端環(huán)境的壓力/溫度響應(yīng)超越人類觸覺感知范圍的摩擦電觸覺傳感器。該觸覺傳感器基于摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)，利用高溫下穩(wěn)定的纖維素摩擦電材料，設(shè)計(jì)了可獨(dú)立輸出雙重信號(hào)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的多種刺激響應(yīng)。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了無外電源供應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)字化響應(yīng)，并且尺寸可自由切換的特點(diǎn)有利于可擴(kuò)展集成。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以進(jìn)一步在高溫環(huán)境下準(zhǔn)確識(shí)別物體的形狀和溫度。所提出的自供電多模態(tài)的傳感系統(tǒng)為尖端人機(jī)交互的發(fā)展提供了設(shè)計(jì)思路。然而，這項(xiàng)工作仍處于初步研究階段，可以通過多學(xué)科交叉融合進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下的復(fù)雜應(yīng)用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55771-0
