觸覺傳感器研究現(xiàn)狀

周建輝，司新毅，及沖沖，余志永，劉迎娟

（1華北理工大學(xué) 遷安學(xué)院 河北 唐山 064400）（2中國水務(wù)投資有限公司 北京 100053）

1 引言

近年來，人口老齡化現(xiàn)象日益突出，醫(yī)療保健水平亟待提高，機(jī)器人與可穿戴醫(yī)療設(shè)備等的需求逐漸增多，其關(guān)鍵技術(shù)——觸覺傳感器的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。觸覺傳感器可覆蓋于復(fù)雜三維載體表面，通過接觸感知外界環(huán)境的各種信息，其研發(fā)需要綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識。

2 觸覺傳感器研究現(xiàn)狀

早在二十世紀(jì)七十年代，國際上就已開始對電子皮膚的探索與研究。近年來，經(jīng)過各國科研人員的不斷努力，電子皮膚的設(shè)計(jì)與開發(fā)取得了顯著的進(jìn)步。目前，電子皮膚種類繁多，本文主要針對本領(lǐng)域中的部分典型研究工作進(jìn)行介紹與分析。

2004年，東京大學(xué)Takao Someya等人研發(fā)了一種觸覺傳感器陣列，可包裹于半徑2mm的圓柱之上，并保持正常工作。2005年，Takao Someya課題組又引入“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，使傳感器的柔性大大增加。

2011年，Zhenan Bao課題組將碳納米管噴涂于PDMS基底制作了電容式觸覺傳感器陣列，具有高彈性。2014年，Bao課題組利用具有空心球微結(jié)構(gòu)制作了鋸齒狀壓阻式觸覺傳感器陣列，可測量微小壓力，靈敏度超高。

2014年，韓國的Hyunhyub Ko課題組利用互鎖結(jié)構(gòu)，制作了可以感知壓力方向的觸覺傳感器。可以檢測振動(dòng)，靈敏度高。同年，意大利理工學(xué)院的Lucie Viry課題組開發(fā)了一種基于電容原理的全柔性三軸力觸覺傳感器。此傳感器基于導(dǎo)電織物電極和高彈性材料，便于制造，加工成本低，具有良好的順應(yīng)性、魯棒性和穩(wěn)定性。這種特有的電介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)和獨(dú)創(chuàng)的材料組合方式，使傳感器表現(xiàn)出了卓越的性能，國內(nèi)學(xué)者對觸覺傳感器的研究也取得了很大進(jìn)展。2008年，合肥工業(yè)大學(xué)的黃英等人基于壓敏導(dǎo)電橡膠制作了觸覺傳感器陣列，可檢測三維壓力，并針對導(dǎo)電橡膠的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)[1]。其制作工藝簡單，制造成本低，應(yīng)用前景廣闊。

2012年，東華大學(xué)的呂曉洲等人基于PCB板耦合電極和PDMS制作了電容式觸覺傳感器，其特點(diǎn)在于能夠?qū)崟r(shí)測量三維界面應(yīng)力[2]。這項(xiàng)研究對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有重要的貢獻(xiàn)，可檢測截肢表面和假肢接口之間的應(yīng)力分布以及人體足底應(yīng)力分布。2017(11)：7-9.

2013年，北京科技大學(xué)曹建國等利用銀納米線與PDMS復(fù)合材料設(shè)計(jì)制作了高柔彈性觸覺傳感器陣列，基于“多孔PDMS”結(jié)構(gòu)，達(dá)到了觸覺傳感器的高柔彈性。這種觸覺傳感器陣列可與結(jié)腸鏡集成，感知內(nèi)外壓力，為觸覺傳感器在醫(yī)療設(shè)備等復(fù)雜三維表面上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[3]。

2014年，中科院張珽等人制作了電容式壓力觸覺傳感器陣列，該傳感器基于單壁碳納米管和超薄的PDMS薄膜，借助絲綢模具得到與絲綢織物微觀表面反相的紋理。其制作方法簡單，成本低，且靈敏度超高，穩(wěn)定性好，可用于監(jiān)測人體生理信號，作為疾病診斷和健康評估的重要依據(jù)。

3 觸覺傳感器存在問題

觸覺傳感器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一系列的成果，并顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，但其研究和開發(fā)依然存在諸多問題，現(xiàn)總結(jié)如下：

3.1 柔彈性不夠，不能很好地覆蓋于復(fù)雜三維表面

觸覺傳感器應(yīng)能夠覆蓋于機(jī)器人等復(fù)雜的三維載體表面，并保持良好的電學(xué)性能，因此必須能夠在彎曲、扭轉(zhuǎn)及拉伸狀態(tài)下正常工作，有良好的柔彈性。相關(guān)研究結(jié)果表明，觸覺傳感器的彈性應(yīng)能達(dá)到30%。因此，優(yōu)化觸覺傳感器結(jié)構(gòu)，使其在復(fù)雜狀態(tài)下正常工作是當(dāng)前研究亟待解決的問題。

3.2 不易剪裁和拼接，不能適應(yīng)大面積載體表面

目前，單個(gè)傳感單元的性能已經(jīng)得到很大改善，但觸覺傳感器的工作環(huán)境通常要求較大的表面積，因此，觸覺傳感器應(yīng)具有良好的可擴(kuò)展性，應(yīng)該能夠適應(yīng)不同的載體條件下任意剪裁和拼接并保證正常工作。

3.3 制作工藝復(fù)雜，成本高，不適宜大批量生產(chǎn)

觸覺傳感器的制作過程通常涉及復(fù)雜的加工工藝，制作成本一般比較高，所選用的材料往往都是新型材料，其制作過程復(fù)雜，價(jià)格也比較貴，因襲，高昂的制作成本限制了觸覺傳感器的大批量生產(chǎn)。

4 觸覺傳感器發(fā)展趨勢

近年來，觸覺傳感器發(fā)展迅速，已應(yīng)用于智能制造、航空航天等多領(lǐng)域。今后，觸覺傳感器應(yīng)融合機(jī)械、電子、材料等各學(xué)科知識，不斷發(fā)展，以獲得更優(yōu)越的性能，適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用。

4.1 多功能

多功能觸覺傳感器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓力、拉力、溫度、表面粗糙度等多種參數(shù)的測量。目前已設(shè)計(jì)制作的觸覺傳感器大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)某一個(gè)測量功能，完成單一的測量任務(wù)，因此，開發(fā)多功能的觸覺傳感器任重而道遠(yuǎn)。

4.2 自愈合

具有自愈合能力的觸覺傳感器可自我修復(fù)機(jī)械損傷，延長使用壽命。目前還沒有設(shè)計(jì)出性能穩(wěn)定的具有自愈合功能的觸覺傳感器，是今后研究的難點(diǎn)之一。

4.3 自供電

為觸覺傳感器提供經(jīng)久耐用的電源，使觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)能量自供給是一個(gè)重要的研究方向。超級電容器、無線天線、太陽能電池等先進(jìn)技術(shù)為觸覺傳感器自供電功能的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

觸覺傳感器的研究開發(fā)對仿生機(jī)器人意義重大，覆蓋了電子皮膚的機(jī)器人可為行動(dòng)不便的老人提供基本的服務(wù)、代替人類承擔(dān)危險(xiǎn)的營救任務(wù)。盡管已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，但是觸覺傳感器的研究絕大部分還還沒有走出實(shí)驗(yàn)室，因此，我們需要繼續(xù)努力探索，使觸覺傳感器真正走入生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，為人類所用。

[1]黃英.基于壓力敏感導(dǎo)電橡膠的柔性多維陣列觸覺傳感器研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]呂曉洲.用于電子皮膚的新型壓力傳感器的研究[D].上海:東華大學(xué)，2012.

[3]汪浩鵬.用于接觸壓力測量的新型高柔彈性電子皮膚研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2015.