Advanced Science:基于人体皮肤启发的柔性压电传感器阵列,具有横纵电极结构且零串扰,实现测量多种外部刺激并实时区分

研究背景

近年来,柔性电子皮肤一直是科研界和工业界的研究热门,其中用于模仿人体皮肤功能的仿生触觉传感器是研究重点。触觉传感器可以对外界的应力刺激产生对应的电信号,广泛应用于人工智能、人机交互、生物信息检测等领域。为了能更好的设计仿生触觉传感器,首先要了解人体皮肤的感知原理。人体皮肤是一种非常了不起的触觉传感器,可以同时检测各种刺激的强度和模式,既其可以分辨按压、敲击和弯曲。这主要归因于四个机械感受器(SA-I,II和FA-I,II)分布在人体皮肤不同区域。机械感受器接收外部刺激并将其转换为电子信号,然后这四种受体的综合信号由大脑进行分析,得到物体大小,形状和质地等信息。目前,柔性触觉传感器阵列在实际应用上面临着许多挑战,首先,目前的触觉传感器阵列往往只有单一功能,即使是可以测量正压力和弯曲的多功能传感器,也无法从传感器信号分析出外界刺激的模式。其次,大面积,高分辨率的传感器阵列需要大量的电极引线,限制了其发展。尽管行+列的布线结构,已经广泛应用于电阻式和电容式传感器阵列中,但是对于压电传感器而言,这样的布线结构会导致信号串扰的问题。因此,具有n × m 个单元的压电传感器阵列,往往需要n × m 条引线, 并且布线结构相当复杂。

文章解析

为了解决这些难题,近日,香港城市大学杨征保教授团队联合哈尔滨工业大学胡泓教授团队提出了一种基于压电薄膜的,具有行+列电极结构的触觉传感器阵列。该触觉传感器阵列,可以实时感测和区分各种外部刺激的大小,位置和模式,包括轻微触碰,按压和弯曲。此外,独特的设计克服了其他压电传感器中存在的串扰问题。压力测试和弯曲测试表明,所提出的触觉传感器阵列具有高灵敏度(7.7 mV / kPa),长期耐用性(80,000个循环周期)和快速响应时间(10 ms)的特征。触觉传感器阵列还显示出卓越的可扩展性和易于大规模制造的能力。这项研究为触觉传感器设计提供了一种新的策略,并将广泛惠及许多领域,尤其是电子皮肤,健康监测,动物运动检测和机器人技术。相关成果以”Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli”为题,发表于Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202002817林伟康和王标为共同第一作者。

图1. 基于皮肤启发的触觉传感器阵列示意图。(a)传感器阵列的多层结构设计,从上到下依次为保护层、上感知层、隔离层、下感知层、保护层。(b)传感器阵列电极引线。(c)触觉传感器阵列系统实时分辨不同模式刺激的示意图。触觉传感器阵列将外界刺激转换为电信号,电信号经过信号处理后可以实时判断外界刺激的大小和模式,进而用于外部设备。

图2 不同刺激模式下触觉传感器阵列的工作机理。(a)正压力刺激模式的示意图(b)上感知层和下感知层在正压力下的应力分布。(c)弯曲刺激模式的示意图。(d-g)上感知层的应力随着弯曲角度的增大而减小,而下感知层的情况则呈现相反的趋势。两层的应力在弯曲角度为45°时近似相同。此外,较大的弯曲半径导致较大的应力。

图3 触觉传感器阵列在正压力刺激模式下的测试结果。(a)压电薄膜的极化方向和触觉传感器阵列的接线方式。(b)轻微触碰下传感器输出电压波形图。(c)5 Hz频率,不同压力大小条件下,传感器输出电压波形图。(d)输出峰值电压与正压力的关系。(e)80000次耐久循环测试。

图4 触觉传感器阵列在弯曲刺激模式下的测试结果。(a-c)弯曲半径为15 mm时,传感器阵列在弯曲方向0°,45°和90°的输出电压波形图。(d-f)输出峰值电压与弯曲半径的关系。

图5 传感器阵列同时测量弯曲半径和弯曲方向。(a,b)基于实验数据,对上、下感知层输出峰值电压与弯曲半径和弯曲方向的拟合结果。(c,d)通过上、下感知层的输出峰值电压计算弯曲半径和弯曲方向。

图6 大面积可拓展触觉传感器阵列及其多点检测能力的示意图。(a)5×5触觉传感器阵列的示意图。(b)5×5触觉传感器阵列的实物图,每个单元2.5×2.5 mm2。(c)单点压力测试时,传感器10通道的实时信号。(d,e)多点压力测试示意图和平面压力强度分布图。

图7 触觉传感器阵列的应用。(a)检测颈动脉脉搏。(b)检测微小物体运动,小蜘蛛约重5mg,传感器阵列精确捕捉到蜘蛛的起飞和降落位置,静止时间和空中持续时间。(c)带有触觉传感器的机械手,可以平稳抓起柔软易碎的豆腐。(d)没有触觉反馈控制的情况下,将会破坏豆腐块。