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創新點

1. 多功能觸覺傳感器陣列，測量壓力、彎曲半徑和彎曲方向的同時，還可以實時區分外部刺激的模式，實現多種測量模式的自動解耦。

2. 傳感器陣列采用橫縱電極結構，將電極引線數量由n×m降低至n+m，極大降低了制作成本和難度。

3. 解決了橫縱電極結構在壓電傳感器陣列中的信號串擾問題。

  近年來，柔性電子皮膚一直是科研界和工業界的研究熱門，其中用于模仿人體皮膚功能的仿生觸覺傳感器是研究重點。觸覺傳感器可以對外界的應力刺激產生對應的電信號，廣泛應用于人工智能、人機交互、生物信息檢測等領域。為了能更好的設計仿生觸覺傳感器，首先要了解人體皮膚的感知原理。人體皮膚是一種非常了不起的觸覺傳感器，可以同時檢測各種刺激的強度和模式，既其可以分辨按壓、敲擊和彎曲。這主要歸因于四個機械感受器（SA-I，II和FA-I，II）分布在人體皮膚不同區域。機械感受器接收外部刺激并將其轉換為電子信號，然后這四種受體的綜合信號由大腦進行分析，得到物體大小，形狀和質地等信息。目前，柔性觸覺傳感器陣列在實際應用上面臨著許多挑戰，首先，目前的觸覺傳感器陣列往往只有單一功能，即使是可以測量正壓力和彎曲的多功能傳感器，也無法從傳感器信號分析出外界刺激的模式。其次，大面積，高分辨率的傳感器陣列需要大量的電極引線，限制了其發展。盡管行+列的布線結構，已經廣泛應用于電阻式和電容式傳感器陣列中，但是對于壓電傳感器而言，這樣的布線結構會導致信號串擾的問題。因此，具有n × m 個單元的壓電傳感器陣列，往往需要n × m 條引線， 并且布線結構相當復雜。

  為了解決這些難題，近日，香港城市大學楊征保教授團隊聯合哈爾濱工業大學胡泓教授團隊提出了一種基于壓電薄膜的，具有行+列電極結構的觸覺傳感器陣列。該觸覺傳感器陣列，可以實時感測和區分各種外部刺激的大小，位置和模式，包括輕微觸碰，按壓和彎曲。此外，獨特的設計克服了其他壓電傳感器中存在的串擾問題。壓力測試和彎曲測試表明，所提出的觸覺傳感器陣列具有高靈敏度（7.7 mV / kPa），長期耐用性（80,000個循環周期）和快速響應時間（10 ms）的特征。觸覺傳感器陣列還顯示出卓越的可擴展性和易于大規模制造的能力。

圖1. 基于皮膚啟發的觸覺傳感器陣列示意圖。（a）傳感器陣列的多層結構設計，從上到下依次為保護層、上感知層、隔離層、下感知層、保護層。（b）傳感器陣列電極引線。（c）觸覺傳感器陣列系統實時分辨不同模式刺激的示意圖。觸覺傳感器陣列將外界刺激轉換為電信號，電信號經過信號處理后可以實時判斷外界刺激的大小和模式，進而用于外部設備。

圖2 不同刺激模式下觸覺傳感器陣列的工作機理。（a）正壓力刺激模式的示意圖（b）上感知層和下感知層在正壓力下的應力分布。（c）彎曲刺激模式的示意圖。（d-g）上感知層的應力隨著彎曲角度的增大而減小，而下感知層的情況則呈現相反的趨勢。兩層的應力在彎曲角度為45°時近似相同。此外，較大的彎曲半徑導致較大的應力。

圖3 觸覺傳感器陣列在正壓力刺激模式下的測試結果。（a）壓電薄膜的極化方向和觸覺傳感器陣列的接線方式。（b）輕微觸碰下傳感器輸出電壓波形圖。（c）5 Hz頻率，不同壓力大小條件下，傳感器輸出電壓波形圖。（d）輸出峰值電壓與正壓力的關系。（e）80000次耐久循環測試。

圖4 觸覺傳感器陣列在彎曲刺激模式下的測試結果。（a-c）彎曲半徑為15 mm時，傳感器陣列在彎曲方向0°，45°和90°的輸出電壓波形圖。（d-f）輸出峰值電壓與彎曲半徑的關系。

圖5 傳感器陣列同時測量彎曲半徑和彎曲方向。（a，b）基于實驗數據，對上、下感知層輸出峰值電壓與彎曲半徑和彎曲方向的擬合結果。（c，d）通過上、下感知層的輸出峰值電壓計算彎曲半徑和彎曲方向。

圖6 大面積可拓展觸覺傳感器陣列及其多點檢測能力的示意圖。（a）5×5觸覺傳感器陣列的示意圖。（b）5×5觸覺傳感器陣列的實物圖，每個單元2.5×2.5 mm2。（c）單點壓力測試時，傳感器10通道的實時信號。（d，e）多點壓力測試示意圖和平面壓力強度分布圖。

圖7 觸覺傳感器陣列的應用。（a）檢測頸動脈脈搏。（b）檢測微小物體運動，小蜘蛛約重5mg，傳感器陣列精確捕捉到蜘蛛的起飛和降落位置，靜止時間和空中持續時間。（c）帶有觸覺傳感器的機械手，可以平穩抓起柔軟易碎的豆腐。（d）沒有觸覺反饋控制的情況下，將會破壞豆腐塊。

  這項研究為觸覺傳感器設計提供了一種新的策略，并將廣泛惠及許多領域，尤其是電子皮膚，健康監測，動物運動檢測和機器人技術。相關成果以”Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli”為題，發表于Advanced Science。林偉康和王標為共同第一作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202002817

  DOI：doi.org/10.1002/advs.202002817