皮膚通過種類豐富且分布廣泛的觸覺感受器，對外部環境進行敏銳感知。隨著人工智能時代的興起，具備類似皮膚感知能力的電子觸覺系統備受關注，這種系統有望為機器人、假肢和執行器等設備提供真實的觸覺感知。傳統觸覺傳感器可以測量壓力和溫度等信息，但無法獲取物體種類和柔軟度等其他觸覺維度的信息。傳統應變傳感器在檢測物體柔軟度時，由于其設計復雜且需要預設位移，這限制了其應用范圍。因此，設計一種易于集成的觸覺傳感器，能夠同時提供材料類型、柔軟度和楊氏模量等信息，對推動多模態觸覺傳感器的發展具有重要意義和實際應用價值。
近期，香港科技大學（廣州）訾云龍教授、夏欣教授和暨南大學楊希婭教授團隊合作開發了一種基于摩擦電效應的雙模態智能觸覺傳感器（BITS）。團隊深入研究了摩擦電信號與材料柔軟度的相關關系，將摩擦電效應電壓/接觸高度的關系及力學赫茲接觸理論結合起來，使用接觸高度和接觸壓力反應材料柔軟度，實現材料柔軟度和種類的識別并量化模量。該研究為推動類膚觸覺傳感器在多模態信號檢測的應用提供了新的思路。
相關工作以“Biomimetic bimodal haptic perception using triboelectric effect”為題發表在學術期刊《Science Advances》上，香港科技大學（廣州）博士生何少帥為第一作者，訾云龍教授、夏欣教授和楊希婭教授為共同通訊作者，香港科技大學（廣州）為該論文的第一通訊單位。
受昆蟲鐘型感受器結構啟發，研究團隊將BITS設計成半球頂結構。通過與不同柔軟度物體接觸時產生的不同電壓信號幅度，從而確定接觸高度，并結合力學赫茲接觸理論和壓力傳感器，實現了材料柔軟度的識別和彈性模量的量化，并利用摩擦電效應提取材料種類信息，借助機器學習算法，實現材料種類和柔軟度的高準確度識別。研究團隊進一步使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140，精度：10 μm）將BITS結構微型化，以便集成到電子皮膚中。
圖1. 仿生雙模態智能觸覺傳感器BITS的示意圖。
通過實驗和有限元模擬，研究團隊發現當只有一個BITS時，電壓與接觸高度之間呈現二次方相關的關系。為了改善這種非線性關系，研究團隊進一步引入具有較低高度的電極作為參比電極，從而將電壓與接觸高度之間的關系轉變為線性關系，使得通過BITS能夠獲得精確可靠的接觸高度數據。
圖2. 開路電壓與歸一化接觸高度之間的關系。
團隊研究了平面和半球形結構BITS對材料柔軟度識別的能力，相比平面結構的BITS，半球形BITS可以區分出材料柔軟度。團隊在不同條件下（不同接觸分離高度、濕度、不同摩擦層材料、不同待測樣品及表面電荷密度）對半球形BITS的性能進行了測試，其中電壓與接觸高度之間的關系在所有條件下均保持線性。此外，BITS能夠在長時間連續測試的條件下仍保持信號穩定。
這種可以測量接觸高度的觸覺傳感器可以提供柔軟度信息。研究團隊使用該傳感器結合壓力傳感器，模擬了手指靠近-接觸物體并區分柔軟度的過程。結合摩擦電效應，具有不同摩擦層的傳感器對不同材料種類有不同的電壓信號，借助機器學習可以實現高準確率的材料種類識別。此外，結合測量的接觸高度和接觸壓力，可以對材料的彈性模量進行量化，作為材料柔軟度的指標。
針對傳感器尺寸，研究團隊進一步使用摩方精密PμSL 3D打印技術制備了具有微米級別尺寸的BITS傳感器，并使用圖案化方法制備電極，不同尺寸的BITS傳感器的電壓與接觸高度關系均呈現線性，驗證了該傳感器微型化的潛力，為電子皮膚獲取更多維度信息提供了新的方案。
圖3. 不同尺寸的傳感器性能和使用PμSL 3D打印技術打印的傳感器結構。
該團隊利用不同摩擦層的傳感器組成陣列，用于采集摩擦電信號進行材料種類和柔軟度識別，并量化彈性模量，證明了該傳感器在多模態觸覺傳感領域的應用潛力。
綜上所述，研究者受昆蟲觸角的啟發提出了一種觸覺感知策略，即利用摩擦電效應識別材料類型并量化物體的楊氏模量。通過進一步改進和技術升級，包括縮小設備尺寸，設計檢測電路，集成到電子皮膚中，該傳感器有望增強機器人和假肢觸覺感知系統，在機器人技術領域廣泛應用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.ado6793
