仿生傳感器的發(fā)展趨勢和前景

李欣 李奉倩 郭奕良 倪浩宸

摘 要 仿生傳感器技術(shù)是當今科學技術(shù)中較為重要的技術(shù)內(nèi)容，為研究并突破目前仿生傳感器的局限性，本文主要探討了仿生傳感器中的觸覺傳感器、嗅覺傳感器、視覺傳感器近年來在國內(nèi)外的發(fā)展概況，具體以電子皮膚、電子鼻、電子眼三種傳感器應(yīng)用作為研究中心，研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)近幾年在視覺、觸覺傳感器方面的技術(shù)已經(jīng)日益成熟，從國際上來看，仿生傳感器整體還具有很多進步空間。雖然仿生傳感器已經(jīng)初步達到了人機交互的水平，但仿生傳感器仍具有精確度低、多維感知難突破等缺點。為解決局限性和不足，我國必須從鞏固傳感器的理論研究和提升拓展多維感知功能兩方面深入研究。這樣才能進一步提高仿生傳感器的實際應(yīng)用性，從而推動我們國家的未來仿生傳感器技術(shù)的進一步向生物化、智能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞 仿生傳感器技術(shù) 機電一體化 應(yīng)用現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0015-03

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱。[1]通常被測量是非電物理量，輸出信號一般為電物理量。傳統(tǒng)傳感器的基本感知功能可分為熱敏、氣敏、力敏、光敏、磁敏、濕敏、聲敏、味敏、色敏和放射線敏感元件十大類。[2]

隨著中國現(xiàn)代科技水平的不斷提升，智能機械開始可以代替人工，甚至還能檢測到人工所察覺不到的信息，可以讓人們更好的去認識世界以及感受世界，而在其中起到重要作用的就是仿生傳感器技術(shù)。仿生傳感器，是近年來興起地使用新的檢測原理的新型傳感器，也是一門由電子學和生物醫(yī)學、工程學等多學科相互滲透而發(fā)展起來的一種新型產(chǎn)品[3]，通過采用固定化的酶、細胞或其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成，是一種基于生物學原理設(shè)計的可以感受規(guī)定待測物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號的器件或裝置[4]，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，另外輔之以信號來調(diào)整電路或電源等[5]。仿生傳感器常分為視覺傳感器、嗅覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器和滑覺傳感器。

1 國內(nèi)外發(fā)展情況

傳感器在行業(yè)的使用率已經(jīng)被人們作為—個衡量行業(yè)智能化、信息化、數(shù)字化的重要標志。其在市場上越來越廣泛的普及也表示在傳感器技術(shù)和現(xiàn)代的科學技術(shù)發(fā)展有著越來越密切的聯(lián)系，也突顯出國內(nèi)科學技術(shù)在不斷的更新與發(fā)展。目前，仿生傳感器作為傳感器最先進的組成部分之一，在生活中發(fā)揮著越來越廣泛的作用，特別是在可穿戴電子設(shè)備以及在生物醫(yī)學，人機交互，智能機器人等領(lǐng)域。隨著研究方向不斷向真實生物靠近，生物最重要的傳感器器官：皮膚、眼睛、鼻子，自然成為了前線研究員們制備仿生傳感器的靈感源泉。其中，皮膚作為人覆蓋最廣的傳感器官，遍布人的全身，研究發(fā)現(xiàn)人的皮膚信息含量豐富，表現(xiàn)出了各種感應(yīng)功能，具體包括動態(tài)感知功能（溫度、濕度、外部刺激）和靜態(tài)感知功能（粗糙度、形狀、位置）。眼睛，將人類看到的事物信號傳遞給大腦，并在大腦內(nèi)部形成圖像信息，是人實現(xiàn)可視化表征的重要器官。鼻子，利用了人類鼻腔內(nèi)壁上的數(shù)千個類似氣敏傳感器的氣體接受細胞，可實現(xiàn)數(shù)千種類型氣體的識別。隨著國內(nèi)傳感器的不斷發(fā)展，仿生傳感器不斷集成化、多功能化、材料創(chuàng)新以及與微處理機有機聯(lián)合應(yīng)用，逐漸形成了現(xiàn)在仿生傳感器領(lǐng)域研究最為火熱的觸覺傳感器、嗅覺傳感器、視覺傳感器等。

1.1 國內(nèi)觸覺傳感器的發(fā)展研究情況

1.1.1 國內(nèi)觸覺傳感器技術(shù)發(fā)展研究情況

觸覺傳感器是一種仿生皮膚豐富感知功能的柔性電子器件和系統(tǒng)，在人體生理參數(shù)檢測和機器人觸覺系統(tǒng)等領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用前景，“電子皮膚”即為這些領(lǐng)域中最為廣泛的應(yīng)用。“電子皮膚”是在金屬與半導體材料的基礎(chǔ)上對其柔韌性等加以改化的柔性觸覺仿生傳感器。

1.1.2 國內(nèi)觸覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況

據(jù)我國重點研究室最新研究報告顯示已找到聚二甲基硅氧烷、碳納米管、石墨烯等新材料用于制備或制成皮膚傳感器[6]，使得電子皮膚在性能上更加向人類皮膚的性能所靠近，同時使得電子皮膚的可拉伸性、柔韌性、可穿戴性、生物相容性、自供電性等多功能集成方面都有所進展，賦予了人機交互器件的穿戴舒適感，讓傳統(tǒng)檢測和佩戴設(shè)備更加便攜化、日常化。

以人類皮膚為基礎(chǔ)，任天令教授及其課題團隊重點討論了指尖在不同大小的應(yīng)力作用下高靈敏響應(yīng)的特性，根據(jù)其微結(jié)構(gòu)的研究提出了具有良好性能的觸覺傳感器，該傳感器可以實現(xiàn)感應(yīng)隨機分布的壓力，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和較高的靈敏度，滿足了快速響應(yīng)和低探測極限的市場要求。

復旦大學武培怡教授以及其相關(guān)研究團隊發(fā)表的最新研究表示，已研發(fā)出一種離子皮膚傳感器，原理是采用一種名為仿生礦物凝水膠新型材料，該材料的使用可使得傳感器具有高靈敏度和較好的力學適應(yīng)性能，能夠良好的貼合復雜曲面以及自動匹配動態(tài)表面，實現(xiàn)了實時人體運動的追蹤，手指觸摸的感知，甚至可以察覺小水珠的滴落等功能，為將來電子皮膚材料的研究和實現(xiàn)多功能集成的電子皮膚傳感器提供了更多的方向和可能性。

雖然我國觸覺傳感器領(lǐng)域已較為成熟，但是在新型材料的選擇和多功能集成方面上，我國的“電子皮膚”仍還有很大的進步空間。

1.2 國內(nèi)嗅覺傳感器的發(fā)展研究情況

1.2.1 國內(nèi)嗅覺傳感器技術(shù)發(fā)展研究情況

嗅覺傳感器國內(nèi)目前大多研究的趨勢是利用具有可進行交叉式反應(yīng)的氣敏元件組成一定規(guī)模的氣敏傳感器陣列來對不同的氣體進行信息提取，然后將這些數(shù)據(jù)信息傳送給計算機或者提前設(shè)定好的判斷系統(tǒng)進行模式判別處理。

近年興起的電子鼻即為這類交叉式反應(yīng)的氣敏元件的創(chuàng)新代表，是生物嗅覺原理、電子技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)等學科交叉融合形成的新型仿生檢測儀器。電子鼻工作原理是利用氣敏傳感器陣列對待測樣品散發(fā)出的氣味進行識別和反應(yīng)，再利用傳感器原理將化學信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大信號、降噪調(diào)理等預處理之后，統(tǒng)計并強化待測樣品對應(yīng)的綜合信息，在從這些信息中提取需要的特征傳輸給設(shè)定好的模式識別算法，最終實現(xiàn)了樣品定性或定量的辨識。

1.2.2 國內(nèi)嗅覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況

據(jù)了解合肥智能機械所已研究出了電子鼻探測器，利用多組氣體傳感器陣列實現(xiàn)了有毒氣體、有毒化學物品的快速檢測，該傳感器可以連續(xù)監(jiān)測特定場所在幾小時、幾天甚至數(shù)月之內(nèi)的氣味狀況，并進行實時匯報。

如果電子鼻技術(shù)的成熟，該技術(shù)可以運用于食品鑒評等方面。由于人對氣味的辨別力有限，通過理化指標對事物進行檢測可能會損傷食物的成熟完好程度，而仿生電子鼻即可對食品進行無損檢測，現(xiàn)在仿生電子鼻已開始運用于梨，香蕉，蘋果等果蔬成熟度的檢測以及肉制品、奶酪等方面的檢測，雖然人們對嗅覺的敏感機理建立了很多的數(shù)學模型，但是具體的細節(jié)仍處于摸索中，電子鼻在食品感官鑒評方面已經(jīng)有了很多研究，但國內(nèi)實際投入市場運行的產(chǎn)品還是較少。

1.3 國內(nèi)視覺傳感器的發(fā)展研究情況

1.3.1 國內(nèi)視覺傳感器技術(shù)發(fā)展的研究情況

視覺傳感器目前是國內(nèi)在仿生傳感器中應(yīng)用最為普遍的傳感器之一，其主要工作原理是在系統(tǒng)完成捕捉鎖定目標之后，視覺傳感器將其內(nèi)存中保存的基準圖形或人像進行比較分析。主要檢測被敏感對象的明暗度、運動方向、形狀特征等，是一種利用光學元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖像信息的儀器，通常用圖像分辨率來描述視覺傳感器的性能。

1.3.2 國內(nèi)視覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況

由于視覺傳感器的通用、易用的特性吸引了眾多機械設(shè)計師和工藝設(shè)計師，產(chǎn)出了頗多種類的多功能集成性產(chǎn)品，其中已經(jīng)實現(xiàn)廣泛應(yīng)當為“電子眼”，該項應(yīng)用僅在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域就包括了檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測等多項實用性功能。目前國內(nèi)的視覺傳感器已經(jīng)運用于多個領(lǐng)域以及各種企業(yè)的生產(chǎn)線上，視覺傳感器可以對產(chǎn)品加工的進度和準確性進行精密檢測，且檢驗的速度大多都比人工高效幾十倍以上。

1.4 國外發(fā)展研究情況

1.4.1 國外仿生傳感器發(fā)展情況

國外的傳感器于20世紀60年代開始研發(fā)仿生傳感器，正是發(fā)展時間長因而即便近年來我國科技技術(shù)一直迅速發(fā)展但與其仍具有一定的差距。其中美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家的著名制造公司為國際市場的引導者，且在2010年，美國設(shè)立了“美國國家科學發(fā)展基金”，在其基礎(chǔ)研究報告中提出：每年撥出69億美元，支持物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)項目開發(fā)和探究。這次“傳感器革命”造成了國外傳感器的技術(shù)迅猛發(fā)展，更是促進了仿生傳感器的多維化的完善，促使得仿生傳感器向微型、生物化、智能化方面發(fā)展。

1.4.2 國外仿生傳感器的技術(shù)發(fā)展

觸覺傳感器：據(jù)最新研究顯示，以色列理工大學的研究人員受人體皮膚生物修復過程的啟發(fā)，決定研發(fā)與人體皮膚類似的自我修復系統(tǒng)，開發(fā)出了一種柔性高分子樹料，它在遭受“傷害”（即刮擦、割傷或扭傷）時能夠“自愈”。這種材料運用于傳感器領(lǐng)域與智能機械，很大可能獲得具有自我修復能力的柔性電子皮膚，未來可運用在假肢生產(chǎn)等生物醫(yī)學或人工智能領(lǐng)域。

嗅覺傳感器：英國生化學家Gardner和Persand教授比較早提出研究具有人工嗅覺的器件的前景和用途，并且在Nature上發(fā)表了仿生人工嗅覺的假想和好處，隨后國外開始慢慢的興起仿生學的熱潮。

Huotari利用了麗蠅是嗅神經(jīng)元對1，4-丁二胺（1，4-diam inobutane，1，4-DAB）、己醇（1-hexanol，HX）和丁酸（hutanioc acid，BA）三種氣體分子的反應(yīng)，找到了適用于傳感器檢測的嗅神經(jīng)元。目前處于實驗室研究中，有關(guān)于氣體檢測的傳感器和分析的儀器種類頗多，但真正能夠具有仿生功能且可以投入市場運作的電子鼻仍然屈指可數(shù)。

視覺傳感器：Banner工程公司生產(chǎn)出的部分視覺傳感器已經(jīng)能夠捕獲高達百萬像素，無論在距離目標幾米甚至幾厘米遠處，傳感器都能夠正確鎖定十分清晰的目標圖像、圖形。目前我國以及其他國家在視覺傳感器的發(fā)展都較為成熟，應(yīng)用都開始廣泛普及，但是國際整體來看，視覺傳感器大都存在目標定位過程較為復雜，造成精確度低、耗時長、不穩(wěn)定等問題。

2 目前存在的問題及擬解決方案

2.1 目前存在的問題

2.1.1 精度穩(wěn)定低

目前的仿生傳感器大多都只能應(yīng)用于大批量，重復率高且目標對象差異不大的情況，各種仿生傳感器的精確度都不是很高，且隨著檢測系統(tǒng)越來越復雜，很多仿生傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性仍有所不足，需要采取一定措施使得仿生傳感器在應(yīng)用上實現(xiàn)低端到高端的發(fā)展。

2.1.2 多維感知難突破

隨著近年來科研人員的不懈努力，傳統(tǒng)傳感器在靈敏度、制造工藝、精確性、可靠性等方面已經(jīng)取得了較大進步，且很多傳感器技術(shù)已進入了市場運營階段，但是作為發(fā)展和形成時間較短的仿生傳感器，不僅需要模仿人的感官的感知功能，還需要傳感器能夠?qū)⒏鞣N感應(yīng)功能集成起來實現(xiàn)多維感知。因此，很長一段時間以來，實現(xiàn)多維感知功能一直是我國傳感器領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)和瓶頸之一。

2.2 擬解決的方案

2.2.1 加深對仿生傳感器的理論研究

隨著科學技術(shù)飛速，傳感器及其系統(tǒng)變的越來越復雜，且傳感器技術(shù)已經(jīng)成為影響自動化業(yè)發(fā)展的瓶頸。傳感器技術(shù)面臨著極其嚴峻的挑戰(zhàn)，同時加快推進傳感器技術(shù)的研發(fā)，是一個國家發(fā)展必走的路。目前國內(nèi)的仿生傳感器技術(shù)研究已經(jīng)具備著一定的實力與規(guī)模，但是由于缺乏國外傳感器領(lǐng)域下堅固的基礎(chǔ)系統(tǒng)，想要取得突破性的進展還需加大研發(fā)過程中的基礎(chǔ)性產(chǎn)品，在傳感系統(tǒng)的復雜化的當下，更要看清其中的本質(zhì)，把復雜的問題簡單化。近幾十年以內(nèi)，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)還存在大量發(fā)展空間，只要加強對基礎(chǔ)傳感領(lǐng)域的突破才能到達需求精度高的“仿生”水平。比如視覺傳感器的本質(zhì)即為光敏傳感器等技術(shù)的集合，只有對這些基礎(chǔ)領(lǐng)域加深研究才能到達高精度、高水平。同時還需要夯實國內(nèi)以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)是必不可少的過程，此外加強對傳感器制造工藝的研究，完善產(chǎn)品可靠性，才能保證國內(nèi)仿生傳感器技術(shù)的深入研究以及應(yīng)用的穩(wěn)定發(fā)展。

2.2.2 發(fā)展交叉學科實現(xiàn)多維感知功能

想要實現(xiàn)多維感知的功能必須將交叉學科精密聯(lián)系，讓生物科學、材料科學、醫(yī)學、化學、工程力學等學科的廣泛參與，首先應(yīng)該加大對仿生材料的創(chuàng)新以及推動交叉技術(shù)的廣泛參與，同時也需要學習借鑒外國先進技術(shù)在傳感器方面的應(yīng)用，加快我國傳感器設(shè)計水平，強化企業(yè)合作，簽訂協(xié)議學習更多的技術(shù)，目前我國已與英、德、以色列等國家旗下幾百家公司表示愿意加強合作關(guān)系，并簽訂合作協(xié)議，推進了中國傳感器行業(yè)的發(fā)展，讓其國企業(yè)在國內(nèi)開設(shè)子公司，提供更好的售后服務(wù)保障。在合作上實現(xiàn)雙贏的局面，這樣才能形成傳感器行業(yè)的良性競爭發(fā)展和創(chuàng)新。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 生物化

仿生傳感器的誕生就是從生物界獲得靈感，近年來不斷發(fā)展研發(fā)出了很多生物化設(shè)備比如“看護機器人”、“仿生細胞傳感器”、“伴侶機器人”，相信在系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展和支持下，未來的仿生傳感器一定會產(chǎn)生更加貼近或具備生物化的仿生系統(tǒng)，同時在仿生技術(shù)的不斷發(fā)展帶動下，會促使仿生傳感器無論從種類還是性能都會有較大的提高，使得未來人類能夠模擬的生物特性的種類會不斷擴大。

3.2 智能化

傳感器是人類向外界得到信息的主要工具，一直以來都沒有誰能取而代之，從與普通機械的檢測到與人，生物的有機聯(lián)系，仿生傳感器一步步的正在向智能化發(fā)展。5G 時代下，萬物互聯(lián)將成為新的趨勢。仿生傳感器技術(shù)在機電技術(shù)中的應(yīng)用將是實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的關(guān)鍵，研究并發(fā)展仿生傳感器，讓機電技術(shù)將會與智能技術(shù)更好地結(jié)合在一起，依靠傳感器收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)做出的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌分析等，在機器人控制以及其他需要機械設(shè)備領(lǐng)域中，智能化將會成為最為廣泛的作業(yè)方式，同時產(chǎn)出和發(fā)展智能化的多種交叉學科，如具有對環(huán)境判斷可產(chǎn)生自適應(yīng)、自診斷、自修復、自增強等功能的智能材料，人力將會得到更大的解放，科技水平將得到質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)論

目前仿生傳感器的市場和技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸開始成熟化，但仿生傳感器精度，穩(wěn)定性低、多維感知難以突破等問題仍需要人們采取措施去解決，除了開發(fā)新系列的仿生傳感器外，也需要加大力度完成現(xiàn)有系列，將仿生傳感技術(shù)與生物學、工學等緊密相連，拓寬和鞏固我國傳感器領(lǐng)域的基礎(chǔ)，積極與國外先進傳感器領(lǐng)域交流。相信隨著人們從多層次、多角度地對仿生傳導機理進行了交叉綜合的研究，未來一定會取得更多的進展，不久的將來，模擬生物體功能的嗅覺、視覺、觸覺等仿生器的出現(xiàn)有可能會超過人類的五官能力，機器人的感官功能以及對目的物進行操作的功能將一步完善。

參考文獻：

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西華大學 機械工程學院，四川 成都