電子皮膚觸覺傳感器研究進展與發(fā)展趨勢

劉沛源++陳威

摘 要隨著科學技術的不多提高，電子科學與技術領域不斷取得突破性的進展，關于電子皮膚觸覺傳感器的研究也得到了空前的發(fā)展，在機器人、軍事、醫(yī)療健康、汽車安全和智能家居等領域得到了廣泛的應用。在不斷的發(fā)展過程中也存在著困難和挑戰(zhàn)，本文就國內外對于電子皮膚觸覺傳感器的研究進展作出簡要介紹，同時對其存在的問題和發(fā)展趨勢進行探析。

【關鍵詞】電子皮膚 觸覺 傳感器 電子科學與技術

1 電子皮膚觸覺傳感器在國內外的研究進展

從科學的角度來講，電子皮膚就是一種新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，它能夠實現(xiàn)仿人類觸覺感知功能的人造柔性電子器件。科學研究表明，人類皮膚的感觸響應時間是30到50毫秒，而電子皮膚傳感器的該響應時間只要5毫秒，并且靈敏度能夠達到15.6kPa-1，同時還能做到循環(huán)工作10萬次以上。從這些數(shù)據(jù)上看，電子皮膚對外界的感知絲毫不弱于人類。

在2012年，韓國方面的科研人員在電子皮膚傳感器領域的研究取得突破性的進展，他們研制成功了一種新的電子感應器，這種傳感器在靈敏度方面甚至能夠和人類的真是皮膚相比肩，幾乎可以代替皮膚感受外界環(huán)境帶來的刺激和產生的變化。韓國方面研究出的新型電子皮膚傳感器是由兩層分別為1mm厚左右的薄膜層疊加而成，兩層薄膜上遍布細小的纖維，同時其上面有著導電性能良好的金屬作為電能傳送，兩層薄膜疊加令上面的纖維得以接觸，進而形成回路進行工作。

2016年，中國科學研究院半導體所超晶格國家重點實驗室與中國人民解放軍總醫(yī)院的科學家和教授們經過通力合作，終于在電子皮膚傳感器上取得了驕人的成就。他們利用石墨烯這種材料研發(fā)出了一種新型的柔性觸覺傳感器，這種傳感器也能夠媲美人類的真實皮膚且能夠實現(xiàn)類似的功能，通過對外界的感知和判斷做出類似于人體皮膚的相應反應且效果非常真實。同時，在軍事和醫(yī)療等領域有著很大的研究和發(fā)展的空間。

2 電子皮膚傳感器研究中遇到的問題

雖然電子皮膚觸覺傳感器的研究已經相當深刻，取得了諸多成果，在機器人的研發(fā)領域更是一馬當先，但是在其發(fā)展的過程中并不是一帆風順的，科研人員遇到了很多問題和挑戰(zhàn)。

石墨烯這種材料在可穿戴設別中的應用起到了不同凡響的效果，而在研發(fā)的過程中也遇到了一些問題，例如，石墨烯這種自身導電性能良好的材料在壓阻型柔性壓力傳感器中應用卻沒有收到良好的效果反饋，器件對壓力的電學性能變化沒有預期中的效果。相關的研究人員為了解決這個問題，經過反復的試驗和研究，最終確定把聚偏氟乙烯納米纖維和石墨烯經過科學的融合組成的三維網絡能夠提高其整體的電學性能的可調節(jié)性，對于在仿生電子皮膚領域的應用切合度更高。

由于專業(yè)的試驗設備和檢測設別的缺乏，對于電子皮膚的研究也造成了不小的影響。在研究石墨烯這種材料在健康監(jiān)測領域的使用效果方面出現(xiàn)了問題，整個研究過程中涉及到了相當高頻率的循環(huán)工作和不同頻率壓力下的傳感器的靈敏度的變化，由于儀器設備的限制始終達不到理想的試驗效果。為此，科研人員通過反復的研究和探析，發(fā)現(xiàn)了一種解決辦法，那就是把斬波器同砝碼聯(lián)合起來，通過斬波器的轉動實現(xiàn)為試驗營造一個長期而且穩(wěn)定的不同頻率下的壓力變化，為試驗的進一步開展鋪平了道路。

對于電子皮膚陣列觸覺傳感器的柔性和彈性的和諧統(tǒng)一問題成為了一個難題，對于模擬人類皮膚，要求電子皮膚觸覺傳感器需要具備很高的柔性和彈性。為了解決這一難題，相關的科研人員對傳感器的組成材料進行了精心的比對和篩選。在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，PDMS的化學惰性、溫度穩(wěn)定性、透明度等方面的具備著相當大的優(yōu)勢，可以作為基底材料，CNT、石墨烯等作為主要的火星材料，然后經過科學的分析，設計出不同的方案，經過試驗和篩選確定最佳的結構以達到其對于高柔性和高彈性的兼容。

日本福島的輻射問題一直都沒有徹底根除，輻射問題已經傷及人們的根本，尤其在機器人都“陣亡”后，對于核輻射的問題人們好像束手無策了，對于人類直接的從事這一項工作已經非常不適合。日本本田針對這一現(xiàn)象，對于機器人做出了進一步的趕緊，為機器人加入電子皮膚，增強其對周邊環(huán)境感知的靈敏度，使其深入核輻射的高危區(qū)域進行工作。但是由于種種難度以及成本問題，其研究的進度不是很快，距離研究成果還有這一段距離。

3 電子皮膚傳感器的發(fā)展趨勢

最近幾年，我國的科學技術發(fā)展的非常快，在新工藝和新材料方面體現(xiàn)的尤為突出，這對于電子皮膚傳感器的研究有著極大的促進作用，在各方面得到了范圍性的應用，在未來，其發(fā)展方向將是更高靈敏度、更加智能化以及綜合全面的發(fā)展。高柔彈性且靈敏度更高的多功能電子皮膚較傳統(tǒng)的石墨烯、單壁碳納米管等材料有著更大的優(yōu)勢和諸多的良性特點，更加的接近人類的皮膚特征，能夠解決目前觸覺傳感器陣列功能單一的弊端，所以這是今后的一個重要的研究方向。

近期，科研人員對于人造仿生皮膚的研究格外熱切，這是一種可穿戴的設備，現(xiàn)在多被應用在人工智能、醫(yī)療以及目前非常火爆的VR領域，人造仿生皮膚能夠實現(xiàn)對語音的識別以及脈搏跳動的捕捉等人體生理信號的實時與快速的檢測。對于許多燒傷燙傷患者、截肢患者以及整容者來說，人造皮膚擁有觸覺可以給他們帶來很大的益處，這在未來的研究中有著很大的研發(fā)空間和開發(fā)潛力，是電子皮膚的重點研究方向。

4 結語

電子皮膚觸覺傳感器作為科技時代的新型產物，給人們眼前一亮的感覺，也在不斷地影響著人們的生活，這是科學的力量，也是電子科學與技術的魅力，科研人員通過不斷地探索和鉆研，攻克一個有一個難題，相信在未來的發(fā)展之中，電子皮膚觸覺傳感器的研究會有更大的創(chuàng)新和突破，進而廣泛的應用在各個領域之中，為人們的生產生活做出貢獻。

參考文獻

[1]張超然，劉婉姬，王立石，等.電子皮膚專利分析[J].中國發(fā)明與專利，2016（03）：26-32.

[2]石金進，吳海彬，馬志舉.一種新型機器人仿生皮膚的設計[J].機器人，2013，35（01）：32-38.

作者簡介

劉沛源（1994-），男，河南省滑縣人。大學本科學歷。研究方向為電子科學與技術。

作者單位

洛陽理工學院電氣工程及其自動化學院 河南省洛陽市 471000