曹建國(guó) ， 周建輝， 繆存孝， 尹海斌， 李維奇， 夏 飛

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.加州大學(xué)圣地亞哥分校 雅各布斯工學(xué)院，圣地亞哥 92093；3.華北理工大學(xué) 遷安學(xué)院，河北 唐山 064400；4.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

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電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

曹建國(guó)1, 2， 周建輝1, 3， 繆存孝1， 尹海斌4， 李維奇1， 夏 飛1

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.加州大學(xué)圣地亞哥分校 雅各布斯工學(xué)院，圣地亞哥 92093；3.華北理工大學(xué) 遷安學(xué)院，河北 唐山 064400；4.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

從介紹人類皮膚的觸覺感知性能出發(fā)，全面綜述了國(guó)際上多學(xué)科領(lǐng)域模擬人類皮膚的電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)；分析討論了電子皮膚觸覺傳感器的工作原理、新型材料和結(jié)構(gòu)、先進(jìn)設(shè)計(jì)制作方法、觸覺傳感特性和性能指標(biāo)等方面內(nèi)容；重點(diǎn)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近年來在電子皮膚陣列觸覺傳感器柔性化、彈性化、空間分辨率、靈敏度、快速響應(yīng)、透明化、輕量化和多功能化等方面的研究進(jìn)展.指出了電子皮膚觸覺傳感器的研究依然存在著難以兼顧高柔性和高彈性、高靈敏度電子皮膚設(shè)計(jì)制作工藝復(fù)雜，可擴(kuò)展性差和成本高等技術(shù)難題.電子皮膚觸覺傳感器可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)療健康、航空航天、軍事、智能制造和汽車安全等領(lǐng)域，正朝著高柔彈性、寬量程的高靈敏度、多功能、自愈合與自清潔、自供電與透明化等方向發(fā)展.

電子皮膚；傳感器；柔彈性；觸覺; 仿生機(jī)器人

“隨著信息化、工業(yè)化不斷融合，以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起”，人們期待未來能夠研發(fā)出與人和生物更加接近的仿人仿生機(jī)器人[1-2].當(dāng)前，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì)是智能化以及人與機(jī)器人的交互共融[3].傳感器技術(shù)是機(jī)器人智能化的先決條件，電子皮膚觸覺傳感器Tactile Sensor for E-Skin[4]作為非常重要的可穿戴設(shè)備之一，直接關(guān)系到下一代機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、人體假肢和可穿戴設(shè)備等載體的智能化和多功能化，受到了多學(xué)科研究人員的高度重視，符合未來發(fā)展需求，近年受到《Science》等國(guó)際著名科學(xué)期刊的持續(xù)廣泛關(guān)注和積極評(píng)價(jià)，成為當(dāng)今國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一[4-7].

觸覺是機(jī)器人等實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介，觸覺本身有很強(qiáng)的敏感能力，可直接測(cè)量對(duì)象和環(huán)境的多種性質(zhì).觸覺傳感器的研究從嚴(yán)格的工業(yè)領(lǐng)域到與人、社會(huì)接觸等多領(lǐng)域，根據(jù)傳感器本身的軟、硬包覆層和覆蓋應(yīng)用范圍，觸覺傳感器通常可分為3類[8]：第1類是硬質(zhì)皮膚(Hard skins)觸覺傳感器，主要有力/力矩傳感器、力敏電阻傳感器、加速度計(jì)和變形傳感器等.這類硬質(zhì)皮膚通常包含多個(gè)觸覺傳感器，通過多傳感器的均值來提供比單一傳感器更好的測(cè)量分辨率.如西班牙加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)的工業(yè)機(jī)器人，手臂上安裝這種有觸覺傳感器的硬質(zhì)皮膚可用來檢測(cè)碰撞、測(cè)量接觸力和接觸位置等[9]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡鶴皋院士等[10]在弧焊機(jī)器人上應(yīng)用該類觸覺系統(tǒng)可檢測(cè)3個(gè)方向的力，完成三維空間焊縫的自我示教；日本早稻田大學(xué)的52-DoF仿人機(jī)器人WENDY手臂上安裝了6軸力/力矩傳感器(每個(gè)手臂6個(gè))和力敏電阻傳感器，可檢查接觸狀態(tài)和位置，以及接觸力的大小、方向和持續(xù)時(shí)間，并能同時(shí)測(cè)量多個(gè)接觸[11]，但空間分辨率受到限制，一般大于100 mm2.第2類是近年國(guó)際上重點(diǎn)研究的柔性皮膚(Soft Skins)[8]或人工皮膚(Artificial Skin)或電子皮膚(Electronic Skin)觸覺傳感器[4,12-22].電子皮膚觸覺傳感器[4,12-15]被定義為能夠通過接觸表征出被測(cè)物體的性質(zhì)(表面形貌、重量等)或數(shù)值化接觸參量(力、溫度等)的設(shè)備或系統(tǒng).電子皮膚觸覺傳感器，又名新型可穿戴仿生觸覺傳感器，是貼在“皮膚”上的電子設(shè)備，因而習(xí)慣性地被稱為電子皮膚[18-19]，或敏感皮膚(Sensitive Skin)、智能皮膚(Smart Skin)、仿生皮膚(Bionic Skin)等[4,13-19].電子皮膚觸覺傳感器大多被排列成矩陣組成陣列觸覺傳感器，電子皮膚陣列觸覺傳感器的空間分辨率可達(dá)到毫米級(jí)，接近人類的皮膚.由于電子皮膚觸覺傳感器可覆蓋于機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備與人體假肢等復(fù)雜的三維載體表面，并準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境的各種信息，成為機(jī)械、電子、儀器和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.第3類是內(nèi)接觸式觸覺傳感器，用來檢測(cè)機(jī)器人各部分的狀態(tài)，而不是檢測(cè)被測(cè)對(duì)象周圍的外部信息，其表面沒有任何的覆蓋和皮膚保護(hù)，如工業(yè)機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)/力矩傳感器，在非人機(jī)交互領(lǐng)域如工業(yè)結(jié)構(gòu)環(huán)境下已完善應(yīng)用多年，其不足之處就是可提取的觸覺信息相當(dāng)有限，如空間分辨率相當(dāng)?shù)颓医佑|位置難以確定[8].為了覆蓋機(jī)器人等復(fù)雜的三維表面和活動(dòng)的關(guān)節(jié)部位，電子皮膚陣列觸覺傳感器通常還必須具有高柔性與高彈性等，美日等發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)近年均投入了巨大的人力與物力，至今仍是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)[4-9]，電子皮膚觸覺傳感器研發(fā)需要綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，以滿足機(jī)器人、醫(yī)療健康、航空航天、軍事、智能制造、汽車安全和手機(jī)與電腦的觸摸式顯示屏等多領(lǐng)域需求，具有廣泛應(yīng)用前景.

1 人類皮膚與觸覺感知性能

人類皮膚能感知觸覺、痛覺、熱覺等多種感覺，其中觸覺的感知尤為重要[4,17].人的觸覺主要通過分布在皮膚不同深度的大量機(jī)械刺激感受器中的4種觸覺感受器(見圖1(a))感知[23-25]:表層皮膚中的邁斯納小體和皮膚深層的環(huán)層小體均為快速適應(yīng)感受器，前者可快速響應(yīng)3～40 Hz低頻動(dòng)態(tài)范圍窄的外界刺激，實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與握力控制等感覺功能;后者可快速響應(yīng)40～500+Hz高頻動(dòng)態(tài)范圍寬的外界刺激，實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)和工具使用等感覺功能；與之相對(duì)的是，分布于全身表皮基底細(xì)胞之間的一種具短指狀突起的默克爾細(xì)胞和位于真皮內(nèi)的長(zhǎng)梭形的魯菲尼小體均是慢適應(yīng)感受器，前者可慢響應(yīng)0.4～3.0 Hz低頻動(dòng)態(tài)范圍窄的空間變形、持續(xù)的壓力，曲面、邊緣甚或尖角等外界刺激，實(shí)現(xiàn)模式/形態(tài)檢測(cè)與紋理感知等感覺功能;后者可慢響應(yīng)100～500+Hz高頻動(dòng)態(tài)范圍寬的持續(xù)向下的壓力、橫向皮膚拉伸和皮膚滑動(dòng)等外界刺激，實(shí)現(xiàn)手指位置、穩(wěn)定抓取、切向力和運(yùn)動(dòng)方向等感覺功能.

圖1 人體皮膚

人類皮膚非常直觀可見，人們往往易忽視其復(fù)雜性.如皮膚中默克爾細(xì)胞、邁斯納小體、魯菲尼小體和環(huán)層小體等4種觸覺感受器的空間分辨率分別為0.5、3.0～4.0、7.0+和10.0+mm，且人體各部位觸覺感受器分布密度差異大.比如成年人的指尖和手掌心分別分布了241和58 cm-2觸覺感受器，使得人體各部位的空間分辨率差異顯著，自指尖、面部和腳趾等到大腿、腹部的空間分辨率由最高下降到最低，比如指尖和腹部的空間分辨率分別接近1 mm和大于30 mm[24].英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Cody等[26]通過心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)量化發(fā)現(xiàn)：手腕背表面的空間分辨率高于手和前臂的其它部位，肢體軸線橫向比縱向的空間分辨率更高，這種效應(yīng)可能來自于一階觸覺感覺單元及其高階投射神經(jīng)元的感受場(chǎng)的不對(duì)稱性；美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Bensma?a等[27]通過1～8 mm的空間分辨率和5～80 Hz的振動(dòng)頻率變化物體的靜態(tài)和振動(dòng)光柵試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),空間分辨率隨著振動(dòng)觸覺的振動(dòng)頻率增加而下降.快速響應(yīng)方面，人類觸覺最高動(dòng)態(tài)檢測(cè)到700 Hz的振動(dòng)頻率，即響應(yīng)時(shí)間僅約為1.4 ms;美國(guó)印第安納大學(xué)Craig和我國(guó)杭州大學(xué)XU Baihua[28]通過同一手指、同一手上的不同手指和不同手的手指上觸覺傳感試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),人類皮膚指尖上不同位置的兩個(gè)事件的臨界感觸響應(yīng)時(shí)間為30～50 ms級(jí).可控的壓力靈敏度研究表明：男性手掌和指尖的法向壓力閾值平均分別約為0.158 g和0.055 g，女性的相應(yīng)值分別為0.032 g和0.019 g[29].

人類皮膚自然狀態(tài)下不僅具有高柔性，英國(guó)Cody課題組[30]和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Bhattacharjee課題組[31]的研究結(jié)果顯示，作為人體體表最富柔彈性的手腕部位的皮膚能夠在手腕彎曲時(shí)還能經(jīng)受最大20.4%的拉伸率，如圖1(b)所示，可貼合于三維復(fù)雜靜/動(dòng)態(tài)表面同時(shí)完成觸覺感知，卸載后皮膚具有的高彈性使其能夠恢復(fù)原來的形狀.

2 電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展

圖2 覆蓋電子皮膚柔性觸覺傳感器的WENDY機(jī)器人[33]

Fig.2 WENDY robot covered with the electronic skin flexible tactile sensor

相對(duì)于聽覺、視覺而言，觸覺感官的模仿十分困難[32].相較于第1類剛性觸覺傳感器，電子皮膚更加輕薄柔軟，可被加工成各種形狀，像衣服一樣附著在人體或者機(jī)器人等載體的身體表面，以便模仿甚或超越人類皮膚感覺功能[23]，實(shí)現(xiàn)人體生理狀態(tài)檢測(cè)、醫(yī)療健康服務(wù)與機(jī)器人的智能化.早在20世紀(jì)70年代，國(guó)際上就已開始對(duì)電子皮膚觸覺傳感器的探索與研究，但進(jìn)展緩慢[24].80年代觸覺研究增長(zhǎng)迅速，壓阻式、電容式、光電式等原理均得到應(yīng)用，但精度低且對(duì)于微小作用力更是束手無策.90年代觸覺傳感技術(shù)研究繼續(xù)增長(zhǎng)并多方向發(fā)展.本世紀(jì)以來尤其是近幾年，電子皮膚觸覺傳感器柔性化、彈性化、透明化、可擴(kuò)展性、輕量化和多功能化等方面[4,5,16-19,33-39]取得顯著進(jìn)展，如日本早稻田大學(xué)Iwata課題組采用柔性皮膚[33]代替硬質(zhì)皮膚[11]的觸覺傳感器厚度為3 mm，肩和臂部空間分辨率為20 mm，分布于WENDY機(jī)器人全身,識(shí)別人機(jī)交互的觸覺信息，如圖2；Bhattacharjee課題組[31](2013)研發(fā)了由彈性針織物制作的電子皮膚觸覺傳感器，并設(shè)計(jì)制作了具有25個(gè)傳感單元的彈性袖套電子皮膚，分別覆蓋于仿人機(jī)器人的前臂和2自由度腕關(guān)節(jié)等,驗(yàn)證了其功能；瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Gerrat等[39](2014)用有機(jī)硅泡沫材料作為介質(zhì)薄膜，采用雙層的5 nm Cr和30 nm Au薄膜蒸鍍于PDMS(Ploydimethysiloxane)薄膜的方法制備了彈性電極，第一次將基于電容式的電子皮膚彈性觸覺傳感器成功應(yīng)用于iCub仿人機(jī)器人手手套的背面上，完成了障礙物檢測(cè)和表面重建任務(wù)[39].

目前，電子皮膚觸覺傳感器種類繁多，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與醫(yī)療設(shè)備中，其中用于接觸壓力測(cè)量的電子皮膚觸覺傳感器是最具挑戰(zhàn)性且應(yīng)用潛力最大的[4,5,12-19,29-33].大部分早期研制的觸覺傳感器多為采用硅作為主要材料的微傳感器[40]，其制造技術(shù)主要采用MEMS微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)良好的空間分辨率,形成微小陣列，體積小,成本低.由于硅微型壓力傳感器難以滿足大面積覆蓋的電子皮膚觸覺傳感器需要的柔性化和可擴(kuò)展性等要求，東京大學(xué)Someya課題組[41](2004)基于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFETs)開發(fā)了壓力測(cè)量的電子皮膚柔性壓阻式陣列觸覺傳感器.除電極之外，此傳感器的所有部件都由軟性材料制作而成，所以即使包裹于半徑2 mm的圓柱之上，仍可保證正常使用.如圖3(a)，此傳感器在保證較低成本并可大面積制作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了柔性化；隨后(2005)引入“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[42]，如圖3(b)，使得傳感器能被拉伸25%同時(shí)測(cè)量接觸壓力.雖然依靠“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的彈性附著在載體或活動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)將會(huì)消失，但該工作明確了主要從材料和結(jié)構(gòu)兩方面著手開發(fā)電子皮膚觸覺傳感器的方法.

(a) 基于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管[41] (b) 基于“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)[42]

2.1 電子皮膚觸覺傳感器的柔性化與交互式

2.1.1 采用拼接式實(shí)現(xiàn)柔性化

采用拼接式是實(shí)現(xiàn)電子皮膚陣列觸覺傳感器柔性化的途徑之一.東京大學(xué)Ohmura等[43](2006)利用多個(gè)包含微小壓敏單元的獨(dú)立模塊分散布置于靜態(tài)三維表面，模塊之間通過串行總線連接并可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面壓力測(cè)量的柔性觸覺傳感器，如圖4，但難以用于動(dòng)態(tài)表面或活動(dòng)關(guān)節(jié),且空間分辨率低.Ohmura等從適形性、順應(yīng)性、測(cè)量范圍和靈敏度、安裝空間、覆蓋面積、質(zhì)量、能耗、尺寸、韌性和可制造性方面提出的電子皮膚觸覺傳感器設(shè)計(jì)要求已被國(guó)內(nèi)外諸多研究者遵循和采用.

圖4 獨(dú)立傳感單元通過串行總線連接形成柔性壓力陣列觸覺傳感器[43]

Fig.4 Independent pressure sensing units to form flexible array tactile sensor via serial bus connection

我國(guó)東華大學(xué)的呂曉洲等[20,38,44]開發(fā)了一種能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量三維界面應(yīng)力的新型平板電容柔性壓力觸覺傳感器，這種傳感器基于PCB(printed circuit board)耦合電極和PDMS制作而成，由體積較小的單個(gè)傳感器拼接成電子皮膚陣列觸覺傳感器，可用于檢測(cè)截肢表面和假肢接口之間的應(yīng)力分布以及人體足底應(yīng)力分布，如圖5.合肥工業(yè)大學(xué)的黃英等[45]利用有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠、金屬膜和炭黑/硅橡膠復(fù)合材料等，采用可拼接的正六邊形模塊化的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種基于串行總線的電容式電子皮膚柔性陣列觸覺傳感器，兼顧可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)可穿戴和大面積觸覺感知.

圖5 基于平板電容的三維界面應(yīng)力測(cè)量電子皮膚柔性陣列觸覺傳感器[44]

Fig.5 Three-dimensional interface stress measurement electronic skin flexible array tactile sensor based on plate capacitor

2.1.2 采用新材料和新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔性化

近年來，人們更多探索采用新材料和新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)觸覺傳感器柔性化.黃英等[13,17,46]基于柔性壓力敏感導(dǎo)電橡膠開發(fā)了用于三維壓力檢測(cè)的電子皮膚壓阻式柔性陣列觸覺傳感器.針對(duì)導(dǎo)電橡膠的體壓阻效應(yīng)和界面壓阻效應(yīng)分別設(shè)計(jì)了多層網(wǎng)狀陣列式結(jié)構(gòu)和單層陣列式結(jié)構(gòu)，并對(duì)傳感器陣列的信號(hào)處理電路和補(bǔ)償電路進(jìn)行了深入的研究[47-48].這種柔性觸覺傳感器在體育訓(xùn)練、康復(fù)醫(yī)療以及智能機(jī)器人等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.

加州大學(xué)伯克利分校Javey課題組的Takei等[49]使用接觸印刷法將平行的半導(dǎo)體(Ge/Si)納米線陣列附著于柔性的聚酰亞胺基底材料，制作了基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的壓力測(cè)量電子皮膚柔性觸覺傳感器，能夠檢測(cè)動(dòng)態(tài)壓力且在超過2 000次的彎曲半徑為2.5 mm的彎曲試驗(yàn)中保持性能穩(wěn)定，如圖6(a)，但難以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性且缺乏彈性.西安交通大學(xué)張學(xué)鋒等[50]利用薄層金屬銀電極、PET基底和壓阻橡膠的良好柔性制作了基于壓阻原理的電子皮膚柔性壓力陣列觸覺傳感器，分散的圓形傳感單元被布置在柔性的PET薄片上，實(shí)現(xiàn)了陣列傳感器的柔性化.韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院的Cho 課題組[40]利用導(dǎo)電油墨和硅彈性體合成材料借助成型工藝制作了電子皮膚壓阻式柔性陣列力觸覺傳感器，傳感單元尺寸為20 mm×20 mm×5 mm，最小分辨力為0.011 N，制造成本低，但在超薄(通常要求在1.5 mm以內(nèi))和輕量化等方面的不足限制了其應(yīng)用.

圖6 壓力測(cè)量的電子皮膚柔性觸覺傳感器[40]

Fig.6 Electronic skin flexible tactile sensor for pressure measurement

2.1.3 采用新材料和新制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性化、交互式

美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Wang等[14](2013)將納米管制作的薄膜晶體管、壓敏橡膠和有機(jī)發(fā)光二極管陣列集成于聚酰亞胺基底材料，制作了第一款用戶交互式電子皮膚柔性觸覺傳感器.該柔性觸覺傳感器通過發(fā)光二極管的光強(qiáng)瞬時(shí)地表示出施加外力的幅度，可廣泛應(yīng)用于交互式輸入/控制設(shè)備、智能壁紙、機(jī)器人和醫(yī)療/健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖6(b).新材料結(jié)合新制作技術(shù)增加了電子皮膚觸覺傳感器的功能.2.2 電子皮膚觸覺傳感器的彈性化、透明化與柔彈性化2.2.1 采用新材料和新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈性化、透明化

圖7 基于PDMS和碳納米管的壓力/應(yīng)變測(cè)量的電子皮膚陣列觸覺傳感器[12]

Fig.7 Pressure/strain measurement electronic skin array tactile sensor based on PDMS and carbon nanotubes

美國(guó)斯坦福大學(xué)Zhenan Bao課題組Lipomi等[12](2011)將碳納米管噴涂于PDMS基底制作了具有良好透明度和彈性的電容式電子皮膚陣列觸覺傳感器，如圖7.PDMS幾乎完全透明且具有良好的彈性，拉伸率可達(dá)到100%以上.附著或埋于彈性材料中的蜷曲的碳納米管以及由其形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使宏觀的導(dǎo)線能夠隨著彈性材料的拉伸而伸長(zhǎng)同時(shí)保證導(dǎo)電性，從而實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的彈性.此陣列傳感器既能檢測(cè)壓力又能檢測(cè)拉力，但是由于擠壓和拉伸都會(huì)明顯改變電容信號(hào)，所以只易于用來單獨(dú)測(cè)量應(yīng)變或者拉伸率不變的情況下測(cè)量壓力.存在同樣問題的還有Zhenan Bao課題組2012年選擇PDMS作為光波導(dǎo)和基底材料，基于有機(jī)發(fā)光二極管和有機(jī)光敏二極管制作了一款光電壓力傳感器[15].該觸覺傳感器不但透明度好，易于大面積制作，并且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和耐彎曲特性.透明度對(duì)于用作電子皮膚的觸覺傳感器很重要，良好的透明化能夠保證利用太陽能驅(qū)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備對(duì)光能的吸收.

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校Rogers和西北大學(xué)Huang聯(lián)合課題組[5,51]通過結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì),利用傳統(tǒng)無機(jī)材料如金屬、硅基材料等制成柔、彈性導(dǎo)電元件，采用三維“波”結(jié)構(gòu)使得傳統(tǒng)無機(jī)導(dǎo)電材料能夠隨著彈性基底的延展而伸長(zhǎng)變形但不會(huì)發(fā)生斷裂等破壞的方法，在2012年制作了一種可以穿帶于手指上的壓力測(cè)量的電子皮膚彈性陣列觸覺傳感器[51].這種結(jié)構(gòu)在外界壓力作用下“波”狀導(dǎo)體各處的拉伸率不同，不會(huì)產(chǎn)生自然狀態(tài)下的拉伸形態(tài)，也有破壞導(dǎo)體的可能，因而在壓力觸覺傳感器研發(fā)應(yīng)用上受到限制.

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的Yogeswaran課題組[52]基于CNT-PDMS納米復(fù)合材料制作了壓力測(cè)量的電阻式電子皮膚柔彈性觸覺傳感器，該傳感器由叉指銀的方式構(gòu)建底部電極，連接由CNT-PDMS復(fù)合材料制成的頂部導(dǎo)電聚合物，可實(shí)現(xiàn)最小500 Pa的壓力值的檢測(cè)，能廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)療假肢等領(lǐng)域.美國(guó)阿克倫大學(xué)Vatani等[53](2016)利用離子液體和碳納米管新型納米復(fù)合材料制作了5層結(jié)構(gòu)的接觸壓力測(cè)量的電子皮膚彈性觸覺傳感器，中心壓阻傳感層測(cè)量面積為1×1 mm2，中間兩層彈性電極板采用的碳納米管/光致聚合物納米復(fù)合材料的拉伸率可達(dá)30%，最外層為封裝層，主要適用于小范圍測(cè)量，可擴(kuò)展性差.2.2.2 采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新加工制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔彈性化、透明化

東京大學(xué)的Alirezaei等[54](2007)基于電阻抗斷層成像技術(shù)開發(fā)了一款壓力測(cè)量的電子皮膚觸覺傳感器，采用導(dǎo)電針織物取代了導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)了觸覺傳感器的柔性化和一定的彈性，可以很好地覆蓋于像人臉這樣復(fù)雜的三維表面以及活動(dòng)的關(guān)節(jié)，并且具有超薄且可變形的特點(diǎn).

北京科技大學(xué)曹建國(guó)課題組Wang等[55-56]充分利用銀納米線優(yōu)良的導(dǎo)電性和納米尺寸效應(yīng)，提出了一種基于“多孔PDMS”和AgNWs/PDMS納米復(fù)合材料電極的新型多層“三明治”式壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)(圖8)，采用了納米制造、電子束蒸鍍、磁控濺射、氧等離子體處理、3D打印、仿生設(shè)計(jì)和有限元仿真等先進(jìn)制造技術(shù).首先，制作基于納米復(fù)合材料的柔彈性導(dǎo)電薄膜電極層；其次，利用力敏導(dǎo)電壓阻橡膠開發(fā)了柔性壓阻式壓力傳感器陣列；然后，采用多孔PDMS及力敏導(dǎo)電壓阻橡膠制作柔彈性中間傳感層；隨后，設(shè)計(jì)采用新型多層“三明治”式壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)和金屬薄層制作電子皮膚觸覺陣列傳感器；最后，實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的封裝、拼合和裁剪實(shí)現(xiàn)其可擴(kuò)展性.圖8中，圖8(a)為制備的新型銀納米線復(fù)合材料導(dǎo)電薄膜電極層的SEM掃描電鏡表面形貌圖像，圖8(b)為電子皮膚觸覺傳感器新型多層“三明治”結(jié)構(gòu)示意圖，圖8(c)為制作完成的電子皮膚觸覺陣列傳感器及其高柔彈性的展示.這種電子皮膚觸覺傳感器不僅具有高柔性、高彈性，還能在0～180 kPa大量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，可擴(kuò)展性好，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面或活動(dòng)關(guān)節(jié)等的動(dòng)態(tài)測(cè)量.為高柔彈性電子皮膚觸覺傳感器在醫(yī)療器械和智能機(jī)器人等復(fù)雜三維表面上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，為高柔彈性電子皮膚實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人等載體智能化提供了新的方法[19,57].

圖8 基于納米材料和新型“三明治”結(jié)構(gòu)的柔彈性電子皮膚觸覺傳感器及其柔彈性展示[19]

Fig.8 Flexible and stretchable electronic skin tactile sensor and its soft impressions based on nanomaterials and new “sandwich” structure

德國(guó)比勒費(fèi)爾德大學(xué)Gereon等[58](2015)利用導(dǎo)電針織物實(shí)現(xiàn)了良好柔彈性，將若干觸覺傳感單元嵌入到單一的傳感器膜片，具有很好的擴(kuò)展性可覆蓋于各種形狀的物體.

2.3 電子皮膚觸覺傳感器的傳感特性與性能分析

2.3.1 電子皮膚觸覺傳感器的傳感特性

為了模仿甚或超越人類皮膚的觸覺感知特性，必須發(fā)展高空間分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)、多功能、制造成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高及其透明化的電子皮膚新型可穿戴柔彈性仿生觸覺傳感器.以最具挑戰(zhàn)性且應(yīng)用潛力最大的接觸壓力測(cè)量的英國(guó)利茲大學(xué)Dogramadzi[59]、日本東京大學(xué)Someya[42]、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Takei等[49]和北京科技大學(xué)曹建國(guó)課題組[19,57]的電子皮膚觸覺傳感器為例，其空間分辨率分別為5.0 mm×60.0 mm、4.0 mm×4.0 mm、4.0 mm×4.0 mm和4.5 mm×6.0 mm，逐步接近人類皮膚；Dogramadzi課題組和Someya課題組未提供可測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力頻率，本課題組和Javy課題組傳感單元均可>5 Hz，接近人類皮膚低頻動(dòng)態(tài)范圍；Dogramadzi和Javey課題組分別采用銅電極和整片壓阻橡膠制作的電子皮膚觸覺傳感器具有良好柔性，但缺乏彈性，Someya課題組拉伸率達(dá)到了25%，本課題組研發(fā)的觸覺傳感器具有高柔性、高彈性，其拉伸率可達(dá)到30%，均達(dá)到并超越了人類皮膚最大的拉伸率，這對(duì)覆蓋機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等復(fù)雜的三維表面和活動(dòng)的關(guān)節(jié)部位非常重要.

下面討論電子皮膚觸覺傳感器高靈敏度和多功能等性能.

2.3.2 電子皮膚觸覺傳感器的高靈敏度性能分析

靈敏度S是電子皮膚觸覺傳感器的重要性能參數(shù)，可表示為

(1)

ΔC=C-C0.

(2)

式中：C0為基準(zhǔn)壓力下的電導(dǎo)值，如電容值或電阻值；p為施加的壓力；C為施加壓力后的電導(dǎo)值.

以機(jī)器人、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域廣受關(guān)注的接觸壓力測(cè)量的電子皮膚觸覺傳感器為例，常見的壓力范圍為<1 Pa為超低壓力區(qū)[19,34,39]，大致相當(dāng)于聲波壓力，可用于助聽器、麥克風(fēng)等；1～1 000 Pa為細(xì)微壓力區(qū)，可用于觸摸屏等；1～10 kPa為低壓力區(qū)，大致相當(dāng)于人類輕觸壓力，可用于人機(jī)交互、服務(wù)機(jī)器人等；10～100 kPa為中壓力區(qū)，大致為手握操作對(duì)象的壓力范圍，可用于健康監(jiān)測(cè)、足底壓力分布測(cè)量等；>100 kPa的高壓力區(qū)，可用于結(jié)腸鏡、醫(yī)療假肢和工業(yè)機(jī)器人等.根據(jù)電子皮膚柔/彈性觸覺傳感器壓力范圍依序討論其靈敏度性能.

Zhenan Bao課題組Tee等[60]和Benight等[61]探索利用自愈合的復(fù)合材料制作導(dǎo)電性能良好的電子皮膚.2014年，該課題組Pan等[34]從形狀及性質(zhì)上進(jìn)行改進(jìn)，利用具有空心球微結(jié)構(gòu)的鋸齒狀壓阻薄片開發(fā)了壓阻式的電子皮膚壓力觸覺傳感器.最小可檢測(cè)<1 Pa的壓力;在<30 Pa低壓力區(qū)具有-56.0～133.1 kPa-1的超高靈敏度;在<100 Pa壓力區(qū)依然具有7.7～41.9 kPa-1的很高靈敏度，其響應(yīng)時(shí)間約為50 ms，可實(shí)現(xiàn)微小壓力的檢測(cè)(如圖9).

(a) 壓阻材料空心球微結(jié)構(gòu)示意 (b)固化成型的鋸齒形結(jié)構(gòu) (c)傳感器響應(yīng)測(cè)試

Fig.9 Piezoresistive pressure sensor array based on self-healing conductive piezoresistive composite and hollow sphere microstructure[34]

(a) 柔性圖案化PDMS膜的 (b)典型的電子皮膚示意制造工藝示意

圖10 基于PDMS的電子皮膚電容式高靈敏度觸覺傳感器[63]

Fig.10 Electronic skin highly sensitive capacitive tactile sensor based on PDMS

哈爾濱工業(yè)大學(xué)Wang和日本大阪大學(xué)Jiu等[62]填充有高濃度銀納米線-聚氨酯的彈性復(fù)合材料研發(fā)的電子皮膚柔性電容式壓力觸覺傳感器，低壓力區(qū)達(dá)到高靈敏度.在<30 Pa的低壓力區(qū)為5.54 kPa-1，30～70 Pa低壓力區(qū)為0.88 kPa-1.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽課題組的Wang等[63]，基于單壁碳納米管和超薄的PDMS薄膜制作了壓力測(cè)量的電子皮膚柔性電容式陣列觸覺傳感器，如圖10.這種電子皮膚觸覺傳感器的獨(dú)特之處在于將制作PDMS的預(yù)聚體與交聯(lián)劑混合物涂于絲綢模具之上，固化后將其剝脫，便在PDMS薄膜表面得到與絲綢織物微觀表面反相的紋理.該電子皮膚觸覺傳感器最小可檢測(cè)質(zhì)量為0.01 g，相應(yīng)最小可檢測(cè)壓力為0.6 Pa，在60～300 Pa小壓力區(qū)具有高靈敏度為1.80 kPa-1，可監(jiān)測(cè)不同質(zhì)量小昆蟲(如0.01 g螞蟻和0.04 g蜜蜂)、人的聲帶振動(dòng)以及脈搏跳動(dòng)，穩(wěn)定性好，可用于監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào).中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所沈國(guó)震課題組Lou等[64]與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院姜?jiǎng)P教授合作研制出一種基于石墨烯材料的電子皮膚柔性觸覺傳感器，可快速感知微小壓力變化，最小可檢測(cè)壓力為1.2 Pa，靈敏度為15.6 kPa-1，響應(yīng)時(shí)間為5 ms，可實(shí)現(xiàn)脈搏和聲音識(shí)別等.

國(guó)立首爾大學(xué)Joo等[65]基于PDMS嵌入銀納米線制作多尺度結(jié)構(gòu)的彈性電極研發(fā)的電容式電子皮膚柔性壓力觸覺傳感器，最小可檢測(cè)0.04 g質(zhì)量，相應(yīng)壓力為15 Pa，靈敏度高：在45～500 Pa的低壓力區(qū)為3.80 kPa-1，0.5～2.5 kPa的中壓力區(qū)為0.80 kPa-1，2.5 ～4.5 kPa的高壓力區(qū)為0.35 kPa-1.臺(tái)灣大學(xué)Lai等[66](2016)利用銀納米線作為電極材料在織物上固化形成的PDMS 薄膜制作了柔性電容式電子皮膚壓力觸覺傳感器，最小檢測(cè)壓力為0.6 Pa，<3.0 kPa的小壓力區(qū)具有超高靈敏度：1.04 × 104～6.57 × 106kPa-1，響應(yīng)時(shí)間為20 ms.

意大利理工學(xué)院的Viry課題組[67]基于導(dǎo)電織物電極制作成柔性電極嵌入PDMS之中開發(fā)了一種全柔性電容式電子皮膚三軸力觸覺傳感器，其上層單電極與底層4個(gè)電極分別產(chǎn)生電容，通過測(cè)量4個(gè)電容值的相對(duì)變化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多維力的高靈敏度的探測(cè)，最小可檢測(cè)質(zhì)量為0.01 g，挑戰(zhàn)并超越了人類皮膚輕觸時(shí)約0.02 g水平.壓力在0.5～2.0 kPa(32～130 mN)時(shí)，具有0.53 kPa-1的高靈敏度；壓力在2.0～4.0 kPa時(shí)，具有0.30 kPa-1的高靈敏度；壓力在4.0～10.0 kPa，具有0.20 kPa-1的高靈敏度.清華大學(xué)Tian等[68](2015)研究的基于激光劃線石墨烯的電子皮膚柔性電阻式壓力觸覺傳感器，在寬量程壓力范圍具有很高靈敏度，在<50 kPa的低壓力區(qū)靈敏度為0.96 kPa-1，50～113 kPa的高壓力區(qū)靈敏度為0.005 kPa-1.

韓國(guó)先進(jìn)科技研究所(KAIST)的Park課題組Morteza等[69](2014)基于銀納米線和PDMS彈性體，采用PDMS-銀納米線-PDMS的三明治結(jié)構(gòu)制作了一種可穿戴手套檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)的電子皮膚彈性壓阻式應(yīng)變觸覺傳感器，可在0°～120°彎曲角度范圍具有良好靈敏度,約為0.63 rad-1，并具有彈性好、性能穩(wěn)定和制作成本低的特點(diǎn).

2.3.3 電子皮膚觸覺傳感器的多功能性能

早在2005年，Someya課題組[42]就通過在“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的壓力傳感器陣列中疊加溫度傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)了壓力和溫度同時(shí)測(cè)量.日本精工株式會(huì)社的Ishikawa和Daisuke等[70-71]采用將敏感材料置于兩片導(dǎo)電薄膜之間的夾層結(jié)構(gòu),提出一種利用超薄、柔性、輕量化的測(cè)量壓力中心的電子皮膚觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺檢測(cè)的方法.該傳感器可安裝于機(jī)器人多指手上，在1 ms的時(shí)間內(nèi)測(cè)量出分布載荷的中心位置和施加于傳感器表面的總載荷.黃英[17]等(2011)采用三維力和溫度傳感器凹凸?fàn)罱惶媾挪嫉慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)建柔性多功能觸覺傳感器陣列，可應(yīng)用于智能機(jī)器人電子皮膚對(duì)三維力和溫度的檢測(cè).韓國(guó)蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所的Park等[72-73](2014)受啟發(fā)于人類皮膚的表皮層與真皮層的互鎖結(jié)構(gòu)，基于碳納米管和PDMS形成互相連鎖的小型拱形結(jié)構(gòu)，制作了可以感知壓力方向的電子皮膚觸覺傳感器，如圖11.這種電子皮膚觸覺傳感器靈敏度高，可感知較小的壓力，甚至可以感知空氣流的方向、位置及強(qiáng)烈程度.

(a)人類皮膚的表層與真皮層的互鎖結(jié)構(gòu)(b)基于碳納米管和PDMS形成互鎖的小型拱形結(jié)構(gòu)(c)可以感知的壓力方向

圖11 可感知壓力方向的電子皮膚觸覺傳感器[72-73]

Fig.11 Electronic skin tactile sensor with a function of pressure direction sensing

3 電子皮膚觸覺傳感器研發(fā)存在的主要難題

電子皮膚觸覺傳感技術(shù)經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，已經(jīng)取得了一系列的成果，尤其是以機(jī)器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，在制造業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防安全和服務(wù)等領(lǐng)域?yàn)槠滹@示出了廣闊的應(yīng)用前景[1-9,39]，如日本福島核電站在大地震后，部分輻射嚴(yán)重的地區(qū)不適于人類工作，日本政府已委托本田公司著力為他們已有的ASIMO機(jī)器人研制電子皮膚觸覺傳感器，以使其能夠更好地感知周圍環(huán)境，工作于大地震后福島核電站部分輻射嚴(yán)重的區(qū)域；隨著機(jī)器人參與的智能制造模式的發(fā)展，新一代機(jī)器人不再被固定在安全工作地點(diǎn)，靈活機(jī)器人與人類可以在智能工廠一起協(xié)同工作.通過感知智能和多傳感器融合提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性，有利于機(jī)器人與人類建立起一種新型的人機(jī)共融模式[74-79]，但其研究和開發(fā)依然存在諸多難題，現(xiàn)總結(jié)如下.

3.1 電子皮膚陣列觸覺傳感器兼顧高柔性和高彈性難題

人們期待新型的電子元件能夠彎曲、延展、擠壓、扭轉(zhuǎn)或變形成復(fù)雜的曲面形狀.電子皮膚陣列觸覺傳感器作為柔彈性電子元件的一種，為了模擬人類皮膚能夠覆蓋于機(jī)器人等載體復(fù)雜的三維表面和活動(dòng)關(guān)節(jié)，必須具有很高的柔彈性[4-9].來自意大利技術(shù)研究所的研究結(jié)果表明，要想實(shí)現(xiàn)人類手腕部位的拉伸，仿生皮膚的彈性范圍應(yīng)該在30%左右.因此，優(yōu)化仿生皮膚觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)其在大拉伸率狀態(tài)下正常工作是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一.

陣列觸覺傳感器柔性化方面進(jìn)展顯著，研究人員主要從3個(gè)方面解決觸覺傳感器柔彈性的問題.首先，材料的選擇對(duì)柔彈性的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，PDMS由于其在化學(xué)惰性、溫度穩(wěn)定性、透明度等方面的優(yōu)勢(shì)，常被選作基底材料，而研究人員青睞的活性材料主要有碳納米管(CNT)、石墨烯、納米線、有機(jī)聚合物等; 其次，各課題組設(shè)計(jì)了不同的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)柔彈性，如多層網(wǎng)狀陣列式結(jié)構(gòu)和單層陣列式結(jié)構(gòu),基于“多孔PDMS”設(shè)計(jì)了新型多層“三明治”結(jié)構(gòu)和空心球微結(jié)構(gòu)等; 再次，近些年聚合物微機(jī)械加工工藝等新型制作方法和3D打印技術(shù)逐步興起，在部分領(lǐng)域顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方式，為電子皮膚觸覺傳感器的柔彈性的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了新的可能：哈佛大學(xué)的Muth等[80](2014)利用3D打印技術(shù)，將特殊導(dǎo)電材料注入高分子彈性材料中,制作了拉伸率達(dá)到400%的應(yīng)變式觸覺傳感器.早稻田大學(xué)Pu 等[81](2014)利用二氧化鉬特有的大帶隙、高有效載流子遷移率及高機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)，并結(jié)合化學(xué)汽相沉積法制作了柔彈性薄膜晶體管，可用于制作電子皮膚觸覺傳感器與可穿戴計(jì)算機(jī)等柔彈性要求較高的電子元器件.Zucca等[82](2015)基于卷對(duì)卷加工技術(shù)開發(fā)了具有超順應(yīng)性的導(dǎo)電聚合物納米薄膜.該納米薄膜先從臨時(shí)基底剝落，然后可以覆蓋于任意形狀的物體表面.這種可以自由站立且超薄的導(dǎo)電薄膜具有不易察覺、成本低的特點(diǎn)，非常適合用于制作電子皮膚觸覺傳感器的電極,并可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、健康及醫(yī)療保健領(lǐng)域.但是，能夠貼合于復(fù)雜的三維靜/動(dòng)態(tài)表面，并能準(zhǔn)確完成測(cè)量任務(wù)的電子皮膚觸覺傳感器目前還非常少.

3.2 大面積電子皮膚觸覺傳感器可擴(kuò)展性難題

人類皮膚是人體面積最大的器官，一個(gè)成年人的皮膚展開面積約2 m2，質(zhì)量約為人體質(zhì)量的1/20，厚度因人或部位而異，為0.5(如眼皮皮膚)～4 mm(如足底部皮膚).為了模擬人類皮膚，電子皮膚觸覺傳感器需要能夠任意剪裁和拼接同時(shí)保證正常工作，就必須具備良好的可擴(kuò)展性[4,19,45,58].目前，經(jīng)過各國(guó)研究人員的不斷努力，單個(gè)傳感單元的靈敏度、線性度、柔彈性等性能已經(jīng)得到很大提升，但仿生機(jī)器人的表面積通常比較大，電子皮膚觸覺傳感器甚或傳感服裝通常都需要設(shè)計(jì)成陣列傳感器的形式才能完成檢測(cè)任務(wù).單片面積為55 mm×50 mm～70 mm×70 mm擴(kuò)展為大面積電子皮膚不僅要拼合電子皮膚觸覺傳感器的電極層、觸點(diǎn)位置的布置,并根據(jù)實(shí)際形狀對(duì)電子皮膚進(jìn)行合理剪裁，還要求后續(xù)的信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單、易于陣列化，并優(yōu)化電極布線方式，解決傳感器陣列相鄰傳感單元間的信號(hào)串?dāng)_問題.此外，仿生機(jī)器人連接部位的形狀復(fù)雜，這對(duì)觸覺傳感器可擴(kuò)展性提出了更高的要求.

3.3 高靈敏度電子皮膚觸覺傳感器制造成本高

高靈敏度電子皮膚觸覺傳感器的制作通常涉及聚合物微加工、氧等離子體處理、電子束蒸鍍、磁控濺射等復(fù)雜的工藝和技術(shù)，相應(yīng)的設(shè)備價(jià)格高昂; 另外制作電子皮膚觸覺傳感器的材料普遍比較昂貴，因而成本較高，還要考慮制作觸覺傳感器的時(shí)間成本，這也會(huì)大大增加觸覺傳感器的制作成本，從而限制了電子皮膚觸覺傳感器的大批量生產(chǎn).最近，美國(guó)阿克倫大學(xué)Vatani等[83](2015)采用聚合物/納米復(fù)合材料開發(fā)的壓阻式的電子皮膚多層柔性觸覺傳感器，利用DP(Direct-Print)直接打印技術(shù)和層層軟成型工藝等混合制造工藝，為電子皮膚觸覺傳感器開發(fā)提供了富有前途的工具.隨著化學(xué)、材料科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步，通過選取常見的和易于得到的材料，利用比較成熟的制作工藝和新穎先進(jìn)制造技術(shù)，簡(jiǎn)化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)等方法以降低電子皮膚的制造成本，使其大批量生產(chǎn)成為可能.

4 電子皮膚觸覺傳感器發(fā)展趨勢(shì)

近年來，得益于新材料和新工藝的出現(xiàn)[4,5,84]，電子皮膚觸覺傳感器發(fā)展迅速，其性能在多方面已能模仿甚或超越人類皮膚，其研究成果已逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)生活、康復(fù)醫(yī)療等多領(lǐng)域.未來，電子皮膚觸覺傳感器應(yīng)結(jié)合多學(xué)科知識(shí)向高柔彈性、高靈敏度、多功能、自愈合和自供電等方向發(fā)展，達(dá)到與人類皮膚更加近似的綜合感知觸覺性能，以適應(yīng)復(fù)雜的外部環(huán)境[1-4,74-86].

4.1 高柔彈性、寬量程的高靈敏度與多功能

目前，電子皮膚觸覺傳感器通過采用新型柔性材料、多種傳感器陣列結(jié)構(gòu)、新型制作工藝實(shí)現(xiàn)了柔性化，利用空心球微結(jié)構(gòu)的鋸齒狀壓阻薄片或采用石墨烯、單壁碳納米管等材料可實(shí)現(xiàn)在較小量程壓力范圍內(nèi)的高靈敏度，而兼具高柔彈性、寬量程的高靈敏度與多功能的電子皮膚可以更好地模仿人類皮膚，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多維壓力[46,87-88]、溫度、濕度、表面粗糙度[89]等多種參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)[90].但現(xiàn)有的觸覺傳感器陣列大部分功能單一，主要集中在壓力測(cè)量[19]，只有少數(shù)具有可同時(shí)檢測(cè)拉力或溫度等參數(shù)的功能.因此，開發(fā)兼具高柔彈性、寬量程的高靈敏度與多功能的電子皮膚，使其更加接近甚至超越人類皮膚的性能是今后課題研究的重要努力方向，而觸覺傳感器都要求精簡(jiǎn)布線方式，那么如何從采集到的數(shù)據(jù)中區(qū)分不同的激勵(lì)信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)觸覺傳感器多功能的關(guān)鍵之一.

4.2 自愈合與自清潔

人類的皮膚具有自我修復(fù)機(jī)械損傷的能力，同樣具有自愈合能力的電子皮膚觸覺傳感器在仿生機(jī)器人、醫(yī)療保健及其他領(lǐng)域具有很高的實(shí)用價(jià)值，通過自體修復(fù)，可以延長(zhǎng)觸覺傳感器的使用壽命，這一功能主要通過將自愈合的特性引入彈性材料來實(shí)現(xiàn)[34,61].盡管目前已經(jīng)有研究人員實(shí)現(xiàn)了電子皮膚觸覺傳感器的自愈合，但是其穩(wěn)定性和靈敏度都有待提高.此外，電子皮膚觸覺傳感器的自清潔功能也具有重要的意義，在機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但具有自清潔功能的電子皮膚觸覺傳感器目前還鮮有報(bào)道.

4.3 自供電與透明化

為電子皮膚觸覺傳感器提供便攜、可移動(dòng)、并經(jīng)久耐用的電源是一個(gè)難點(diǎn)，目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)太陽能電池、超級(jí)電容器、機(jī)械能量收割機(jī)、無線天線等很多先進(jìn)的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電,并能將電能傳輸或儲(chǔ)存在彈性系統(tǒng)之中.未來，如何將這些技術(shù)應(yīng)用于電子皮膚觸覺傳感器,實(shí)現(xiàn)能量自供給是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).采用高透明度的PDMS等材料可實(shí)現(xiàn)電子皮膚觸覺傳感器的透明化，進(jìn)而保證利用太陽能驅(qū)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備對(duì)光能的吸收，因此，透明化設(shè)計(jì)也是電子皮膚觸覺傳感器今后發(fā)展的重要趨勢(shì).

電子皮膚觸覺傳感器還會(huì)不斷面臨新的挑戰(zhàn)，如生物適應(yīng)性、生物降解能力、神經(jīng)接口控制、高度集成化、微型化等方面也會(huì)成為未來的研究熱點(diǎn).研制出性能優(yōu)越,易于制作,成本低并能大批量生產(chǎn)的電子皮膚觸覺傳感器，使之有望走入人類生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，真正為人類服務(wù),是今后的發(fā)展方向.

5 結(jié) 論

電子皮膚觸覺傳感器可應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)療健康、軍事、智能制造、汽車安全和日常生活等領(lǐng)域，具有廣泛應(yīng)用前景.電子皮膚觸覺傳感器研究不僅要模擬人類皮膚的壓力、溫度、濕度、表面粗糙度等綜合感知的多功能，還應(yīng)具有高柔性、高彈性、高靈敏度、高分辨率、透明化和輕量化等多方面的特性.近年來，各種傳感原理均已應(yīng)用電子皮膚觸覺傳感器研究，并得益于新的敏感材料、新的傳感器結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)以及納米制造、3D打印等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，電子皮膚觸覺傳感器在柔彈性化、透明化、高靈敏度以及多功能等方面已取得了突破性的研究進(jìn)展，接近甚或超越了人類皮膚的部分特性.

電子皮膚觸覺傳感器的研究絕大部分還處在實(shí)驗(yàn)室階段，并未真正投入應(yīng)用服務(wù)人類社會(huì).現(xiàn)有電子皮膚柔性觸覺傳感器的功能特性與人類皮膚的綜合感知依然存在很大差距，電子皮膚陣列觸覺傳感器還存在著難以兼顧高柔性和高彈性，大面積電子皮膚觸覺傳感器可擴(kuò)展性差、不易剪裁和拼接，高靈敏度電子皮膚觸覺傳感器制造工藝復(fù)雜,成本高，難以大批量生產(chǎn)等問題，這都大大限制了電子皮膚的發(fā)展.

接觸壓力測(cè)量電子皮膚觸覺傳感器系統(tǒng)是最具挑戰(zhàn)性且應(yīng)用潛力最大的領(lǐng)域,需要優(yōu)先發(fā)展完善與應(yīng)用，而多功能電子皮膚陣列觸覺傳感器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、靈敏度、表面粗糙度等多種參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè),需重點(diǎn)關(guān)注.未來，電子皮膚觸覺傳感器最重要的研究方向體現(xiàn)在兼具高柔彈性、寬量程的高靈敏度與多功能、自愈合與自清潔以及自供電與透明化.

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(編輯 楊 波)

封面圖片說明

封面圖片來自本期論文“電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”，是北京科技大學(xué)曹建國(guó)教授課題組制作完成的電子皮膚觸覺陣列傳感器及其高柔彈性的展示。該課題組提出了一種基于“多孔PDMS”和AgNWs/PDMS納米復(fù)合材料導(dǎo)電薄膜電極層的新型多層“三明治”式壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu).采用了納米制造、電子束蒸鍍、磁控濺射、氧等離子體處理、3D打印、仿生設(shè)計(jì)和有限元仿真等先進(jìn)制造技術(shù),研制出新型高柔彈性電子皮膚觸覺陣列傳感器.首先,制作基于納米復(fù)合材料的柔彈性導(dǎo)電薄膜電極層;其次,利用力敏導(dǎo)電壓阻橡膠開發(fā)了柔性壓阻式壓力傳感器陣列;然后,采用多孔PDMS及力敏導(dǎo)電壓阻橡膠制作柔彈性中間傳感層;隨后,設(shè)計(jì)采用新型多層"三明治"式壓力傳感器陣列結(jié)構(gòu)等制作電子皮膚觸覺陣列傳感器;最后,實(shí)現(xiàn)傳感器陣列的封裝、拼合和裁剪,實(shí)現(xiàn)其可擴(kuò)展性。這種電子皮膚觸覺傳感器空間分辨率達(dá)到4.5 mm×6.0 mm，可測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力頻率>5 Hz，具有高柔性、高彈性，其拉伸率可達(dá)到30%，超越了人類皮膚最大的拉伸率，還能在0～180 kPa大量程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，可擴(kuò)展性好，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜表面或活動(dòng)關(guān)節(jié)等的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

(圖文提供： 曹建國(guó)， 周建輝， 繆存孝， 尹海斌， 李維奇， 夏 飛． 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院)

Research progress and development strategy on tactile sensors for e-skin

CAO Jianguo1,2, ZHOU Jianhui1,3, MIAO Cunxiao1, YIN Haibin4, LI Weiqi1, XIA Fei1

(1.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Jacobs School of Engineering, University of California-San Diego, San Diego 92093, USA;3.Qianan College, North China University of Science and Technology, Tangshan 064400, Hebei, China;4.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Starting from the tactile sensing performance of human skin, the progress and key technologies of tactile sensors for e-skin (electronic skin) akin to human skin by multidisciplinary fields are comprehensively reviewed.The sensing principle, new materials and structures, advanced design and making methods, sensing characteristics and performance of tactile sensors are analyzed.The recent domestic and foreign research advances of electronic skin tactile sensor array in flexibility, elasticity, spatial resolution, sensitivity, fast response, transparency, lightweight, multifunction and other aspects are summarized.It is difficult to achieve the tactile sensors for e-skin with high stretchable and flexible, less complex production process for high sensitivity e-skin, strong extensibility and low cost.The tactile sensors for e-skin can be widely used in robotics, medical health, aeronautics and space military, intelligent manufacturing, automotive security and other fields.The development of tactile sensors for e-skin toward the direction of high stretchable and flexible, high sensitivity in wide range, multifunction, self-healing and self-cleaning, self-powered and transparent, has been pointed out.

e-skin; sensor; stretchable and flexible; tactile; bionic robot

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.001

2016-03-02

國(guó)家留學(xué)基金委公派高級(jí)研究學(xué)者項(xiàng)目(201308110343)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(FRF-BR-15-038A)

曹建國(guó)(1971—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師

曹建國(guó), geocao@ustb.edu.cn

TP212

A

0367-6234(2017)01-0001-13