廣東工業(yè)大學：用于健康監(jiān)測和機器人技術的柔性自供電觸覺傳感最新進展

在現(xiàn)代科技時代，將傳感功能集成到健康監(jiān)測系統(tǒng)和機器人平臺中已成為提高人類生活和工業(yè)效率的一種變革性方法。材料科學、電子工程和跨學科合作正在推動柔性電子技術的快速發(fā)展，與此同時，健康監(jiān)測、人機交互、機器人等領域對可穿戴式觸覺傳感器的需求也在不斷增長。這些應用場景要求觸覺傳感器具有高靈敏度和長期穩(wěn)定工作能力。然而，驅動可穿戴傳感器需要額外的電源，這會降低傳感系統(tǒng)的靈活性，增加重量，從而降低佩戴體驗。因此，從生物運動和環(huán)境中獲取能量已成為替代傳統(tǒng)電源的一種前景廣闊的方法。特別是自供電觸覺傳感技術，由于能夠通過將機械能轉化為電能來產(chǎn)生自身的工作電源，因此在各種傳感技術中脫穎而出。這對于需要連續(xù)運行的健康監(jiān)測設備和自主發(fā)電對獨立運行至關重要的機器人技術尤為重要。

觸覺是人類感知世界的基本方式之一，而觸覺傳感器則是模仿人類觸覺功能的人工設備，它們可以將機械刺激轉化為電信號，從而實現(xiàn)對環(huán)境的感知和控制。隨著技術的不斷發(fā)展，自供電觸覺傳感器受到了廣泛關注。這不僅是因為它們具有能源自主性，可大大降低能源短缺對設備使用的影響，還因為它們的觸覺傳感能力將實現(xiàn)更精細、更人性化的感知模式。因此，近十年來開發(fā)出了大量自供電柔性觸覺傳感器，并廣泛應用于健康和運動監(jiān)測機器人、生物醫(yī)學等領域。觸覺傳感器的性能和可靠性取決于其傳感機制和結構設計。摩擦起電式傳感器和壓電式傳感器可通過采集機械能和檢測動態(tài)壓力實現(xiàn)自供電。電容式和壓阻式傳感器具有較大的動態(tài)和靜態(tài)壓力檢測范圍，但需要電源，從而增加了重量，降低了觸覺傳感系統(tǒng)的靈活性。盡管壓阻傳感器因其工作機制而需要外部電源才能工作，但通過與自供電電子元件相結合，它們可以實現(xiàn)自供電。

作為現(xiàn)代醫(yī)療保健的重要組成部分，健康監(jiān)測的發(fā)展不僅促進了對最新數(shù)據(jù)的依賴，而且還需要管理和處理越來越多的數(shù)據(jù)。如何實時、準確、非侵入式地獲取和處理數(shù)據(jù)已成為健康監(jiān)測領域的一大挑戰(zhàn)。自供電觸覺傳感器可以巧妙地集成到可穿戴設備中，對心跳、血壓呼吸和運動等人體健康狀況進行無創(chuàng)監(jiān)測，這對長期健康管理和疾病預防至關重要。這也意味著需要確保傳感器準確捕捉微弱的生理信號,這對確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性至關重要。此外，還需要高效的算法來處理和分析收集到的大量數(shù)據(jù)，從而提供實時、準確的健康反饋。傳統(tǒng)的供電方法需要內置電池或頻繁連接外部電源進行充電，這既增加了相關設備的重量和體積，也限制了設計的靈活性和持續(xù)的能源供應。因此，自供電傳感技術的應用是克服這一障礙的有效手段。通過將人體肢體運動、心肺運動和血液流動產(chǎn)生的生物力學能量轉化為電能，減少了對傳統(tǒng)電池的依賴，提高了便利性，并使長時間監(jiān)測成為可能。同樣，現(xiàn)代機器人技術也面臨著類似的挑戰(zhàn)。隨著機器人應用領域的擴大，對更精細的運動控制、感知以及在非結構化環(huán)境中對環(huán)境的理解提出了更高的要求。通過利用環(huán)境能源，這項技術有助于減少機器人對外部能源的依賴，提高機器人在無人環(huán)境中自主運行的能力。然而，在復雜的操作環(huán)境中，傳感器必須足夠耐用和可靠，以確保長時間穩(wěn)定運行。自供電觸覺傳感器以其實時檢測生理信號的獨特能力滿足了這些需求，為機器人技術的發(fā)展提供了新的動力。

研究成果

過去幾十年來，觸覺傳感技術在健康監(jiān)測和機器人領域取得了長足的進步。與傳統(tǒng)傳感器相比，自供電觸覺傳感器無需外部電源驅動，使整個系統(tǒng)更加靈活輕便。因此，自供電觸覺傳感器是模擬可穿戴健康監(jiān)測觸覺感知功能的理想選擇，也是智能機器人理想的電子皮膚(e-skin)。廣東工業(yè)大學孫啟軍教授團隊在這篇綜述中首先介紹了各種自供電觸覺傳感平臺的工作原理、材料和設備制造策略。然后介紹了它們在健康監(jiān)測和機器人技術中的應用。最后,討論了自供電觸覺傳感系統(tǒng)的未來前景。相關報道以“Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics”為題發(fā)表在Small期刊上。

圖文導讀

Figure 1. Overview of working mechanisms, system integration, and applications of self-powered tactile sensing.

Figure 2. Working mechanism of self-powered tactile sensors.

Figure 3. Materials and device structure of piezoelectric tactile sensors.

Figure 4. Materials and device structure of triboelectric tactile sensors.

Figure 5. Materials and device structure of piezoresistive tactile sensors.

Figure 6. Self-powered tactile sensing systems combined with solar cells.

Figure 7. Self-powered tactile sensing systems combined with batteries.

Figure 8. Self-powered tactile sensing systems combined with supercapacitors.

Figure 9. Self-powered tactile sensing for blood pressure and pulse monitoring.

Figure 10. Self-powered tactile sensing for gait, respiratory and sleep monitoring.

Figure 11. Self-powered tactile sensing for environment recognition, object recognition and grasping.

Figure 12. Self-powered tactile sensing for object material recognition, HMI and VR.

來源： i學術i科研

文獻鏈接 Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics https://doi.org/10.1002/smll.202405520

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