哈尔滨工业大学教授提出了一种新型的柔性触觉传感器阵列

时间:2024-05-30

最近,来自哈尔滨工业大学(深圳)的胡虹教授团队和香港城市大学的杨正宝教授团队提出了一种基于具有行+列电极结构的压电膜的触觉传感器阵列。

DOI:doi.org/10.1002/advs.202002817)发表在“高级科学”上,林伟康和王彪是第一作者。

这项研究为触觉传感器设计提供了一种新策略,有望为电子皮肤,健康监测,动物运动检测和机器人技术领域带来好处。

近年来,柔性电子皮肤已经成为学术界和工业界的热门话题,其中仿效人体皮肤的仿生触觉传感器是研究的重点之一。

触觉传感器可以产生相应的电信号来刺激外界压力,广泛应用于人工智能,人机交互,生物信息检测等领域。

深入了解人类皮肤的感知原理是设计仿生触觉传感器的重要前提。

应当理解,人的皮肤是非常“有力的”皮肤。

触觉传感器,可以同时检测各种刺激的强度和模式,并可以区分按压,敲击和弯曲。

这主要是由于四个机械感受器(SA-1,II和FA-1,II)分布在人体皮肤的不同区域。

机械感受器接收外部刺激并将其转换为电信号。

大脑对这四个受体的积分信号进行分析,以获得物体的大小和形状。

以及纹理等信息。

当前,柔性触觉传感器阵列在应用中面临许多挑战。

现有的触觉传感器阵列通常仅具有单个功能,并且大面积,高分辨率的传感器阵列需要大量的电极引线。

这两个团队这次提出的触觉传感器阵列可以实时感测和区分各种外部刺激的大小,位置和样式,包括轻触,按压和弯曲。

同时,其独特的设计克服了其他压电传感器中存在的串扰问题。

压力测试和弯曲测试表明,本次提出的触觉传感器阵列具有高灵敏度(7.7mV / kPa),长期耐久性(80,000次循环)和快速响应时间(10ms)的特性。

触觉传感器阵列还显示出出色的可扩展性和易于大规模制造的能力。

“该研究具有三个主要创新”。

胡宏说,多功能触觉传感器阵列可以测量压力,弯曲半径和弯曲方向,还可以实时区分外部刺激的模式,实现多种测量模式。

自动去耦。

同时,传感器阵列采用水平和垂直电极结构,将电极引线的数量从n×m减少到n + m,从而大大降低了制造成本和难度。

此外,该研究还解决了压电传感器阵列中水平和垂直电极结构的信号串扰问题。

图1受皮肤启发的触摸传感器阵列的示意图。

(A)从顶部到底部,传感器阵列的多层结构设计是保护层,上传感层,隔离层,下传感层和保护层。

(B)传感器阵列的电极引线。

(C)实时区分不同刺激的触觉传感器阵列系统的示意图。

触觉传感器阵列将外部刺激转换为电信号。

在信号处理完电信号后,可以实时判断外部刺激的大小和样式,然后将其用于外部设备。

图2不同刺激模式下的触觉传感器阵列的工作机制。

(A)正压力刺激模式的示意图。

(b)在正压力下上下感应层的应力分布。

(C)弯曲刺激图案的示意图。

(D-g)上传感层的应力随着弯曲角度的增加而减小,而下传感层的情况则呈现相反的趋势。

当弯曲角度为45°时,两层的应力大致相同。

另外,较大的弯曲半径导致较大的应力。

图3在正压刺激模式下的触觉传感器阵列的测试结果。

(A)压电膜的极化方向和触觉传感器阵列的布线方法。

(B)轻触时传感器输出电压的波形图。

(C)在5Hz频率和不同压力条件下传感器输出电压的波形图。

(D)输出峰值电压与正压之间的关系。

(E)80,000耐力