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01研究背景

在人工智能與機器人技術(shù)快速發(fā)展的聶雙牛背景下，觸覺感知系統(tǒng)作為機器人與環(huán)境進行智能交互的喜教關(guān)鍵接口，其重要性日益凸顯。授團傳統(tǒng)觸覺傳感器雖然能在常溫環(huán)境下有效工作，隊再的觸但在高溫等極端環(huán)境中往往難以保持穩(wěn)定性能，覺傳這嚴重制約了機器人在特殊工況下的感器應(yīng)用。摩擦納米發(fā)電技術(shù)憑借其獨特的材料工作機理，為開發(fā)新型環(huán)境適應(yīng)性觸覺傳感器提供了創(chuàng)新途徑。聶雙牛

在這一技術(shù)革新中，喜教紙基摩擦電材料展現(xiàn)出獨特的授團優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。紙張作為性能優(yōu)異的隊再的觸摩擦電材料，不僅具備可再生、覺傳可降解、感器生物相容等環(huán)境友好特性，材料更重要的聶雙牛是，其分子結(jié)構(gòu)中β-D-吡喃葡萄糖環(huán)上豐富的羥基賦予了材料優(yōu)異的極化性能及其本征耐高溫特性，這些特點使紙基摩擦電材料在高溫觸覺傳感領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢，有望成為替代傳統(tǒng)石油基合成聚合物的理想選擇，為解決高溫環(huán)境下的觸覺感知難題提供全新的材料基礎(chǔ)和技術(shù)方案。

02文章概述

近日，廣西大學(xué)劉艷華等人設(shè)計了一種超越人類觸覺感知的極端環(huán)境自適應(yīng)的摩擦電傳感器。利用高溫下穩(wěn)定的纖維素摩擦電材料，設(shè)計了可獨立輸出雙重信號的非對稱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高溫下壓力與熱刺激的并行感知。這項成果以題為“Triboelectric tactile sensor for pressure and temperature sensing in high-temperature applications”發(fā)表在了《Nature Communications》上。廣西大學(xué)為唯一完成單位，2022級博士生劉艷華為本研究第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，王金龍、劉濤、韋芷婷、羅斌、遲明超、張松、蔡晨晨、高聰、趙桐等同學(xué)參與研究。

03圖文導(dǎo)讀

1 摩擦電傳感器的仿生靈感

撒哈拉銀蟻是一種能夠在高溫環(huán)境中保持多感官知覺的昆蟲，這種對惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力為高溫環(huán)境下觸覺傳感器的設(shè)計提供了靈感。此外，人類皮膚通過機械和溫度感受器來區(qū)分機械和熱刺激，從而實現(xiàn)對觸摸和溫度刺激的大小和位置的時空識別，以確保與復(fù)雜環(huán)境的安全有效的人機交互。當皮膚因機械力變形與溫度刺激時，對應(yīng)的離子通道打開，離子流動，從而形成生理電信號。受此啟發(fā)，利用外界刺激下摩擦電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移進而產(chǎn)生電信號的優(yōu)勢，設(shè)計了極端環(huán)境自適應(yīng)的壓力/溫度響應(yīng)的摩擦電傳感器。

圖1. 仿生原理示意圖

2 極端環(huán)境自適應(yīng)摩擦電觸覺傳感器的設(shè)計

該觸覺傳感器由感知壓力的摩擦納米發(fā)電機（P-TENG）和感知溫度的摩擦納米發(fā)電機（T-TENG）組成。多模態(tài)傳感器利用T-TENG有限的接觸面積避免了力的干擾，且通過雙層結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定的材料屏蔽了熱刺激對信號輸出的破壞。單電極模式運行的每層傳感器產(chǎn)生獨立的信號，從而能清晰、無干擾的采集并區(qū)分觸覺與溫度的電信號，展現(xiàn)出靈敏與耐高溫特性，為極端環(huán)境下的多種刺激響應(yīng)提供了可能。將微型傳感器通過激光打印的柔性可拉伸電極組裝在機械手上，展示了摩擦電觸覺傳感器在物體多模態(tài)感知和信息反饋的應(yīng)用。

圖2. 超越人類觸覺感知的極端環(huán)境自適應(yīng)壓力/溫度響應(yīng)摩擦電傳感器

3 壓力響應(yīng)行為

通過兩步封裝策略設(shè)計了結(jié)構(gòu)不對稱的雙層傳感器以實現(xiàn)壓力與溫度的同時感測。本工作將結(jié)構(gòu)不對稱的彈性硅膠作為外殼實現(xiàn)壓力刺激的快速響應(yīng)。進一步制備了不同尺寸的傳感器，研究發(fā)現(xiàn)摩擦電性能隨著尺寸增加呈線性增長。對P-TENG施加壓力，應(yīng)力壓縮與恢復(fù)的響應(yīng)時間分別為70 ms和 58 ms，遠遠快于人類對觸覺刺激的響應(yīng)時間（139 ms）。當壓力小于8.36 kPa時，摩擦電信號的靈敏度為9.21 kPa^?1。在200°C進行2000次循環(huán)測試后，傳感器的輸出性能沒有明顯變化，證明了P-TENG的耐用性和魯棒性。

圖3. 壓力傳感

4 溫度響應(yīng)行為

表面平整的具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性的纖維素膜與FEP分別作為正負摩擦電材料，受環(huán)境溫度的刺激，材料儲存的電荷發(fā)生無序耗散，輸出電壓下降。T-TENG傳感器靈敏度的線性度為0.997，且表現(xiàn)出壓力不敏感性。傳感器信號隨著溫度的變化表現(xiàn)出高度一致性，并且在加熱-冷卻循環(huán)期間觀察到高度可重復(fù)的輸出電壓，證明了傳感信號對環(huán)境溫度的實時自適應(yīng)性。T-TENG傳感器具有寬范圍及超越人類皮膚的溫度傳感能力（25-200°C），優(yōu)于文獻中報道的自供電溫度傳感器，為極端環(huán)境下的溫度感知及人機交互等領(lǐng)域的發(fā)展提供了機會。

圖4. 溫度傳感

5 壓力-溫度多模態(tài)傳感

在實際應(yīng)用中需要同時和獨立地檢測多個刺激，這要求傳感器對耦合信號具有低的交叉干擾和穩(wěn)定的解耦能力。與理論結(jié)果相比，P-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于0.4%，T-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于3.2%。多模態(tài)摩擦電傳感器的線性依賴性構(gòu)建的特征矩陣用于多重信號的穩(wěn)定解耦。演示了摩擦電傳感器在多重耦合刺激復(fù)雜場景中的實時響應(yīng)，驗證了摩擦電傳感器對溫度和壓力信號具有低交叉敏感性。

圖5. 在單個摩擦電傳感器中實現(xiàn)壓力-溫度解耦和雙峰傳感

6 高溫環(huán)境下的實時物體識別

將傳感器集成在機械手的五個指尖上構(gòu)成智能觸覺系統(tǒng)，進行未知物體的識別。該系統(tǒng)可遠程控制機械手同步模擬手的各種運動，向用戶提供空間分布的觸覺反饋，為代替人類在復(fù)雜極端環(huán)境下執(zhí)行潛在的危險任務(wù)提供了思路。機械手內(nèi)側(cè)的摩擦電傳感器抓握不同溫度和形狀的物體時，獲取完全不同的信號。由于抓握習慣，每個指尖的個數(shù)及用力大小不同，輸出信號也不盡相同。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習與觸覺傳感器相結(jié)合，傳感系統(tǒng)顯示出優(yōu)異的識別性能，平均識別準確率達到了94%。

圖6. 高溫環(huán)境下的觸覺感知

04結(jié)論

總之，這項工作展示了一種適用極端環(huán)境的壓力/溫度響應(yīng)超越人類觸覺感知范圍的摩擦電觸覺傳感器。該觸覺傳感器基于摩擦納米發(fā)電機技術(shù)，利用高溫下穩(wěn)定的纖維素摩擦電材料，設(shè)計了可獨立輸出雙重信號的非對稱結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高溫環(huán)境下的多種刺激響應(yīng)。該設(shè)備實現(xiàn)了無外電源供應(yīng)的實時數(shù)字化響應(yīng)，并且尺寸可自由切換的特點有利于可擴展集成。結(jié)合機器學(xué)習技術(shù)可以進一步在高溫環(huán)境下準確識別物體的形狀和溫度。所提出的自供電多模態(tài)的傳感系統(tǒng)為尖端人機交互的發(fā)展提供了設(shè)計思路。然而，這項工作仍處于初步研究階段，可以通過多學(xué)科交叉融合進一步實現(xiàn)極端環(huán)境下的復(fù)雜應(yīng)用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55771-0