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  角度傳感器作為精準運動測量的主要部件，在機器人，工業控制，人工智能以及個性化康復等諸多領域均發揮著重要的作用。在過去數十年里，角度傳感技術得到了長足的發展，涌現出了包括光電式，電磁式，慣性測量單元在內的多種類型的角度傳感器。但這些角度傳感器不同程度地存在功耗高、體積大、測量精度有限等問題。而隨著微納米技術的發展，通過對新材料、新原理的運用，大量的傳感器技術不斷涌現。其中，自驅動傳感技術是基于麥克斯韋位移電流的納米發電機的重要應用之一，具有高精度、低功耗、輕薄等突出優勢，是面向未來更加信息化的物聯網時代，和更加智能化的個人健康護理所不可或缺的核心技術。

  近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所的研究團隊借助摩擦納米發電機 (TENG)技術設計了一款可實現納弧 (nanoradian)級分辨率的自驅動角度傳感器 (Self-Powered Angle Sensor, SPAS)。通過在結構上引入同軸排列的兩組存在一定角度差的TENG，SPAS可將旋轉運動轉換為一組具有相位差的電壓信號輸出。在經過結構優化后，SPAS輸出的信號的峰峰值可達~120 V，信噪比為98.69 dB，因此SPAS不僅不需要額外的電能供應，而且不用集成信號放大電路，大大簡化了器件的整體結構。對SPAS產生的的信號進行分析處理后，可實現1°的角度分辨率，同時在其線性敏感區內可實現高達2.03 納弧的極限角度分辨率，通過微納加工工藝制備更為精細的電極結構或研制更為高效的起電材料還可將SPAS的角度分辨率進一步提高。此外SPAS還具有輕 (11.1 g)、薄 (1.87 mm)的優點，使得SPAS可以輕松地嵌入多種器件同時不影響它們的正常運動。在機器人領域，作者展示了將SPAS與機械臂結合后，能夠利用SPAS將機械臂書寫“Nano”這一單詞時的實時角度數據記錄下來，隨后將這些角度數據反饋給機械臂運動即可將前述書法過程精準地復現。同時作者還展示了SPAS在個人骨科康復領域的應用：將SPAS與常見的醫療支具結合后可對測試者的膝蓋彎曲角度進行實時監測，通過微處理器將監測結果以藍牙的方式發送至移動端APP上進行實時數據記錄及動畫展示，相關數據可以便于醫生分析患者當前的康復情況，為后續康復計劃的個性化制定提供可靠依據。該項研究為智能機器人的傳感與控制，智慧醫療/主動健康領域等帶來了新原理和新思路，具有廣闊應用前景。

圖1. SPAS的應用，結構以及工作原理示意圖: (a) 將SPAS在機器人領域應用的示意圖; (b) SPAS的結構示意圖; (c) TENG A的工作原理示意圖; (d) TENG B的工作原理示意圖。

圖2. SPAS的結構優化: (a) SPAS逆時針旋轉時的電壓分布仿真結果; (b) 不同α下SPAS順時針旋轉產生的電壓信號仿真結果; (c) 不同α下SPAS信號幅值與每圈脈沖數仿真結果; (d) 不同α與γ/α比值下 SPAS電壓仿真結果歸一化對比; (e) ~(g) 不同β/α比值下SPAS波形圖仿真結果; (h) ~(j) 針對(e)~ (g)中的仿真結果進行相應的實驗驗證。

圖3. SPAS的表征: (a) 角速度恒定為1°/s時，SPAS旋轉不同角度產生的信號波形圖; (b) 旋轉角度恒定為80°時，以不同角速度旋轉時SPAS產生的信號波形圖; (c) 以不同的角速度旋轉不同角度下SPAS的信號波形圖; (d) ~(f): 以(a) ~(c)圖中的數據計算得到的角速度與時間的關系; (g) ~(i) 以(a) ~(c)圖中的數據計算得到的總旋轉角度與時間的關系。

圖4. SPAS信號的細節分析: (a) 當SPAS先逆時針旋轉后順時針旋轉采集到的波形圖; (b) 不同角速度下，SPAS信號縫寬的統計分析; (c) SPAS在不同角速度下的每轉脈沖數測試以及循環穩定性測試; (d) SPAS的信號具有良好的周期重復性; (e) 以0.05°為步進的步進旋轉運動下SPAS的信號圖譜; (f) 在線性敏感區域內，0.01°的旋轉步長可被清晰地分別，插入圖為噪音波形圖。

圖5. SPAS在機器人領域的應用: (a) SPAS嵌入機械臂運動軸的照片; (b) 利用SPAS數據復現書法過程示意圖; (c) 過程1中采集到的多通道信號; (d) 圖(c)的選區放大示意圖; (e) 利用極坐標展示如何將一個周期內SPAS的信號與旋轉角度建立一一對應的關系; (f) 原始書法結果; (g) 將SPAS記錄的數據反饋執行得到的書法結果; (h) 通過重疊來對比兩次書法結果的差異，插入圖為字母n拐角的放大，比例尺200 μm。

圖6. SPAS在個性化骨科康復領域的應用: (a) 將SPAS與個人支具結合后的照片; (b) 結合后的橫截面示意圖; (c) 為便攜式測量開發的單片機的照片; (d) 不同旋轉方向下單片機采集到的SPAS的輸出信號波形圖; (e) 主動式關節彎曲角度測量系統的工作原理示意圖; (f) SPAS監測試驗者膝蓋彎曲角度的展示。

  以上相關成果發表在Advanced Materials上。論文第一作者為中國科學院北京納米能源與系統研究所博士生王子銘與博士生安杰，通訊作者為王中林院士與唐偉研究員。

  論文鏈接：Ziming Wang, Jie An, Jinhui Nie, Jianjun Luo, Jiajia Shao, Tao Jiang, Baodong Chen, Wei Tang*, Zhong Lin Wang*. A Self‐Powered Angle Sensor at Nanoradian‐Resolution for Robotic Arms and Personalized Medicare, Advanced Materials, 202001466,2020. 

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001466