實現(xiàn)無需外接電源的自供電觸覺反饋的可視化觸覺傳感器

提供可見光反饋的觸覺傳感器在快速發(fā)展的可穿戴顯示器、電子皮膚和生物醫(yī)學等領域變得越來越重要。然而，傳感器信號的獲取、傳輸與表達仍然面臨很大挑戰(zhàn)。例如為了模擬真實的觸覺系統(tǒng)，一個完全覆蓋的機器人需要數(shù)千個皮膚傳感及反饋元件，如何構建傳感器及電路布線引起了廣泛的研究興趣。很明顯，可視化觸覺傳感器仍然需要克服幾個顯著的障礙：傳感器的密度，供能方式，設備的便攜性以及生物兼容性。包括材料、人工智能等多個領域交叉融合的研究人員正在努力突破這些限制。 近日，廣西大學聶雙喜教授團隊報道了一種新型的可視化觸覺傳感器，實現(xiàn)了無需外接電源的自供電觸覺反饋。為了使傳感器擺脫能耗的困擾，研究人員基于生物質材料優(yōu)異的摩擦電特性，賦予此類傳感器前所未有的自供電性能（開路電壓可達1327 V）。隨后將其與可視化元件進行有源矩陣集成，構建了可以實現(xiàn)手部應力強度反饋以及抓取狀態(tài)感知的可穿戴觸覺傳感器。這項成果以題為“Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception”發(fā)表在《Advanced Materials》上，2022級博士生劉濤和陸登俊副教授（劉濤碩士導師）為共同第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，蒙香江、羅斌、袁金霞、劉艷華、張松、蔡晨晨、高聰、王金龍參與研究。

【可穿戴可視化觸覺傳感器的設計】

為了使設備更便于穿戴，傳感器的設計應盡可能微小型化，這意味著傳感器的摩擦面積遠小于傳統(tǒng)的摩擦納米發(fā)電機（TENG），通過微型TENG驅動可視化元件（LED）相對困難。因此，采用折紙技術和表面工程的組合工藝構造了具有多層堆疊結構的類X型TENG（X-TENG），充分利用材料的多維度摩擦電效應。由于殼聚糖-NH2和特氟龍-F的電子親和力不同，在觸摸應力的作用下電子由殼聚糖摩擦層向特氟龍摩擦層轉移。通過外接感應電極可以收集這種電子轉移過程，并連接LED實現(xiàn)手掌按壓的可見光反饋。

圖1. 用于可穿戴可視化觸覺傳感器的X-TENG【可穿戴軟電源（X-TENG）的摩擦電性能】

傳感器實現(xiàn)自供電觸覺光反饋的能力基于X-TENG的高電輸出性能。因此，采用超景深三維顯微鏡及有限元模擬仿真（COMSOL）及實驗對比驗證，確認了二維結構和三維結構對X-TENG摩擦電性能的貢獻。X-TENG較普通的殼聚糖提升了448%，最高輸出功率密度可達2.1 W/m2，并成功觀測到空氣擊穿電火花現(xiàn)象。通過橫向比較，X-TENG具有目前可穿戴柔性自供電傳感器最高的輸出性能。

圖2. X-TENG的摩擦電性能

【X-TENG增強的可視化傳感性能】

基于X-TENG的高輸出性能，可以在輕松觸摸下驅動可視化光源（LED）產(chǎn)生可見光。在正常觸碰應力（100 kPa）下X-TENG驅動可視化光源最大的亮度可達9.8 cd/m2。為了展示可視化觸覺傳感器在集成設備中的應用潛力，通過有源矩陣（5×5）的設計策略分別將X-TENG與可視化光源元件集成在相同的平面上。在這里，單點觸碰與大面積觸碰用于演示觸覺可視化反饋的響應。可以推測，可視化觸覺傳感器在應力傳感、運動狀態(tài)反饋與輔助訓練中具備潛在的應用前景。

圖3. X-TENG有源矩陣集成的可視化傳感性能

【用于識別手部抓取狀態(tài)的可穿戴設備】

在肌肉康復訓練過程中，訓練質量對用戶的康復效果非常重要。通過將可視化裝置按照在腕力圈上，提出了一種可反饋應力強度的自供電裝置，不同的按壓強度可通過LED完成實時的觸覺反饋。因此，用戶可以通過可視化裝置感知訓練強度及時調整訓練策略。更重要的是，此項技術可以在電路中匹配更多阻值的電阻，按壓強度反饋的指示燈也可以實現(xiàn)從1到N級的可拓展性。

圖4. 用于輔助康復訓練的可穿戴設備

小結：本研究提出了一種自供電的可穿戴可視化觸覺傳感器和一種靈敏、零功耗、靈活的可視化交互方式。但這項技術仍處于起步階段，目前僅限于器件結構簡單的可穿戴自供電系統(tǒng)。雖然此研究驗證了通過摩擦納米發(fā)電機驅動可視化光源的有效性，但可視化強度仍然是不足夠的，最近的一些報道通過電路管理與材料表面極化提升摩擦納米發(fā)電機的輸出性能，這可能對增強可視化反饋強度有效。同樣，可視化強度仍然受到可視化光源功耗的限制，通過調節(jié)反饋光源的匹配電流也是一種有效的途徑。此外，此處提供的數(shù)據(jù)集還包含同步的視覺信息以及觸覺數(shù)據(jù)。在這方面，數(shù)字孿生與電信號控制是跨視覺與觸覺領域的多模式學習的有用控制平臺，這對于機器人的模擬控制可能有用。最后，可以增強可視化觸覺傳感器本身，例如可以從可穿戴模塊和更緊湊的無線數(shù)據(jù)工具包將擴展其在需要相當大移動性的操作任務中的實用性。審核編輯：郭婷