(西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039)
傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱。[1]通常被測(cè)量是非電物理量,輸出信號(hào)一般為電物理量。傳統(tǒng)傳感器的基本感知功能可分為熱敏、氣敏、力敏、光敏、磁敏、濕敏、聲敏、味敏、色敏和放射線敏感元件十大類。[2]
隨著中國(guó)現(xiàn)代科技水平的不斷提升,智能機(jī)械開始可以代替人工,甚至還能檢測(cè)到人工所察覺不到的信息,可以讓人們更好的去認(rèn)識(shí)世界以及感受世界,而在其中起到重要作用的就是仿生傳感器技術(shù)。仿生傳感器,是近年來興起地使用新的檢測(cè)原理的新型傳感器,也是一門由電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的一種新型產(chǎn)品[3],通過采用固定化的酶、細(xì)胞或其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成,是一種基于生物學(xué)原理設(shè)計(jì)的可以感受規(guī)定待測(cè)物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號(hào)的器件或裝置[4],由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,另外輔之以信號(hào)來調(diào)整電路或電源等[5]。仿生傳感器常分為視覺傳感器、嗅覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器和滑覺傳感器。
傳感器在行業(yè)的使用率已經(jīng)被人們作為—個(gè)衡量行業(yè)智能化、信息化、數(shù)字化的重要標(biāo)志。其在市場(chǎng)上越來越廣泛的普及也表示在傳感器技術(shù)和現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)發(fā)展有著越來越密切的聯(lián)系,也突顯出國(guó)內(nèi)科學(xué)技術(shù)在不斷的更新與發(fā)展。目前,仿生傳感器作為傳感器最先進(jìn)的組成部分之一,在生活中發(fā)揮著越來越廣泛的作用,特別是在可穿戴電子設(shè)備以及在生物醫(yī)學(xué),人機(jī)交互,智能機(jī)器人等領(lǐng)域。隨著研究方向不斷向真實(shí)生物靠近,生物最重要的傳感器器官:皮膚、眼睛、鼻子,自然成為了前線研究員們制備仿生傳感器的靈感源泉。其中,皮膚作為人覆蓋最廣的傳感器官,遍布人的全身,研究發(fā)現(xiàn)人的皮膚信息含量豐富,表現(xiàn)出了各種感應(yīng)功能,具體包括動(dòng)態(tài)感知功能(溫度、濕度、外部刺激)和靜態(tài)感知功能(粗糙度、形狀、位置)。眼睛,將人類看到的事物信號(hào)傳遞給大腦,并在大腦內(nèi)部形成圖像信息,是人實(shí)現(xiàn)可視化表征的重要器官。鼻子,利用了人類鼻腔內(nèi)壁上的數(shù)千個(gè)類似氣敏傳感器的氣體接受細(xì)胞,可實(shí)現(xiàn)數(shù)千種類型氣體的識(shí)別。隨著國(guó)內(nèi)傳感器的不斷發(fā)展,仿生傳感器不斷集成化、多功能化、材料創(chuàng)新以及與微處理機(jī)有機(jī)聯(lián)合應(yīng)用,逐漸形成了現(xiàn)在仿生傳感器領(lǐng)域研究最為火熱的觸覺傳感器、嗅覺傳感器、視覺傳感器等。
1.1.1 國(guó)內(nèi)觸覺傳感器技術(shù)發(fā)展研究情況
觸覺傳感器是一種仿生皮膚豐富感知功能的柔性電子器件和系統(tǒng),在人體生理參數(shù)檢測(cè)和機(jī)器人觸覺系統(tǒng)等領(lǐng)域中具有重大的應(yīng)用前景,“電子皮膚”即為這些領(lǐng)域中最為廣泛的應(yīng)用?!半娮悠つw”是在金屬與半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上對(duì)其柔韌性等加以改化的柔性觸覺仿生傳感器。
1.1.2 國(guó)內(nèi)觸覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況
據(jù)我國(guó)重點(diǎn)研究室最新研究報(bào)告顯示已找到聚二甲基硅氧烷、碳納米管、石墨烯等新材料用于制備或制成皮膚傳感器[6],使得電子皮膚在性能上更加向人類皮膚的性能所靠近,同時(shí)使得電子皮膚的可拉伸性、柔韌性、可穿戴性、生物相容性、自供電性等多功能集成方面都有所進(jìn)展,賦予了人機(jī)交互器件的穿戴舒適感,讓傳統(tǒng)檢測(cè)和佩戴設(shè)備更加便攜化、日常化。
以人類皮膚為基礎(chǔ),任天令教授及其課題團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)討論了指尖在不同大小的應(yīng)力作用下高靈敏響應(yīng)的特性,根據(jù)其微結(jié)構(gòu)的研究提出了具有良好性能的觸覺傳感器,該傳感器可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)隨機(jī)分布的壓力,表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和較高的靈敏度,滿足了快速響應(yīng)和低探測(cè)極限的市場(chǎng)要求。
復(fù)旦大學(xué)武培怡教授以及其相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的最新研究表示,已研發(fā)出一種離子皮膚傳感器,原理是采用一種名為仿生礦物凝水膠新型材料,該材料的使用可使得傳感器具有高靈敏度和較好的力學(xué)適應(yīng)性能,能夠良好的貼合復(fù)雜曲面以及自動(dòng)匹配動(dòng)態(tài)表面,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)的追蹤,手指觸摸的感知,甚至可以察覺小水珠的滴落等功能,為將來電子皮膚材料的研究和實(shí)現(xiàn)多功能集成的電子皮膚傳感器提供了更多的方向和可能性。
雖然我國(guó)觸覺傳感器領(lǐng)域已較為成熟,但是在新型材料的選擇和多功能集成方面上,我國(guó)的“電子皮膚”仍還有很大的進(jìn)步空間。
1.2.1 國(guó)內(nèi)嗅覺傳感器技術(shù)發(fā)展研究情況
嗅覺傳感器國(guó)內(nèi)目前大多研究的趨勢(shì)是利用具有可進(jìn)行交叉式反應(yīng)的氣敏元件組成一定規(guī)模的氣敏傳感器陣列來對(duì)不同的氣體進(jìn)行信息提取,然后將這些數(shù)據(jù)信息傳送給計(jì)算機(jī)或者提前設(shè)定好的判斷系統(tǒng)進(jìn)行模式判別處理。
近年興起的電子鼻即為這類交叉式反應(yīng)的氣敏元件的創(chuàng)新代表,是生物嗅覺原理、電子技術(shù)以及現(xiàn)代傳感器技術(shù)等學(xué)科交叉融合形成的新型仿生檢測(cè)儀器。電子鼻工作原理是利用氣敏傳感器陣列對(duì)待測(cè)樣品散發(fā)出的氣味進(jìn)行識(shí)別和反應(yīng),再利用傳感器原理將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)過放大信號(hào)、降噪調(diào)理等預(yù)處理之后,統(tǒng)計(jì)并強(qiáng)化待測(cè)樣品對(duì)應(yīng)的綜合信息,在從這些信息中提取需要的特征傳輸給設(shè)定好的模式識(shí)別算法,最終實(shí)現(xiàn)了樣品定性或定量的辨識(shí)。
1.2.2 國(guó)內(nèi)嗅覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況
據(jù)了解合肥智能機(jī)械所已研究出了電子鼻探測(cè)器,利用多組氣體傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了有毒氣體、有毒化學(xué)物品的快速檢測(cè),該傳感器可以連續(xù)監(jiān)測(cè)特定場(chǎng)所在幾小時(shí)、幾天甚至數(shù)月之內(nèi)的氣味狀況,并進(jìn)行實(shí)時(shí)匯報(bào)。
如果電子鼻技術(shù)的成熟,該技術(shù)可以運(yùn)用于食品鑒評(píng)等方面。由于人對(duì)氣味的辨別力有限,通過理化指標(biāo)對(duì)事物進(jìn)行檢測(cè)可能會(huì)損傷食物的成熟完好程度,而仿生電子鼻即可對(duì)食品進(jìn)行無損檢測(cè),現(xiàn)在仿生電子鼻已開始運(yùn)用于梨,香蕉,蘋果等果蔬成熟度的檢測(cè)以及肉制品、奶酪等方面的檢測(cè),雖然人們對(duì)嗅覺的敏感機(jī)理建立了很多的數(shù)學(xué)模型,但是具體的細(xì)節(jié)仍處于摸索中,電子鼻在食品感官鑒評(píng)方面已經(jīng)有了很多研究,但國(guó)內(nèi)實(shí)際投入市場(chǎng)運(yùn)行的產(chǎn)品還是較少。
1.3.1 國(guó)內(nèi)視覺傳感器技術(shù)發(fā)展的研究情況
視覺傳感器目前是國(guó)內(nèi)在仿生傳感器中應(yīng)用最為普遍的傳感器之一,其主要工作原理是在系統(tǒng)完成捕捉鎖定目標(biāo)之后,視覺傳感器將其內(nèi)存中保存的基準(zhǔn)圖形或人像進(jìn)行比較分析。主要檢測(cè)被敏感對(duì)象的明暗度、運(yùn)動(dòng)方向、形狀特征等,是一種利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖像信息的儀器,通常用圖像分辨率來描述視覺傳感器的性能。
1.3.2 國(guó)內(nèi)視覺傳感器產(chǎn)品發(fā)展研究情況
由于視覺傳感器的通用、易用的特性吸引了眾多機(jī)械設(shè)計(jì)師和工藝設(shè)計(jì)師,產(chǎn)出了頗多種類的多功能集成性產(chǎn)品,其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)當(dāng)為“電子眼”,該項(xiàng)應(yīng)用僅在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域就包括了檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)等多項(xiàng)實(shí)用性功能。目前國(guó)內(nèi)的視覺傳感器已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域以及各種企業(yè)的生產(chǎn)線上,視覺傳感器可以對(duì)產(chǎn)品加工的進(jìn)度和準(zhǔn)確性進(jìn)行精密檢測(cè),且檢驗(yàn)的速度大多都比人工高效幾十倍以上。
1.4.1 國(guó)外仿生傳感器發(fā)展情況
國(guó)外的傳感器于20世紀(jì)60年代開始研發(fā)仿生傳感器,正是發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)因而即便近年來我國(guó)科技技術(shù)一直迅速發(fā)展但與其仍具有一定的差距。其中美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的著名制造公司為國(guó)際市場(chǎng)的引導(dǎo)者,且在2010年,美國(guó)設(shè)立了“美國(guó)國(guó)家科學(xué)發(fā)展基金”,在其基礎(chǔ)研究報(bào)告中提出:每年撥出69億美元,支持物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)項(xiàng)目開發(fā)和探究。這次“傳感器革命”造成了國(guó)外傳感器的技術(shù)迅猛發(fā)展,更是促進(jìn)了仿生傳感器的多維化的完善,促使得仿生傳感器向微型、生物化、智能化方面發(fā)展。
1.4.2 國(guó)外仿生傳感器的技術(shù)發(fā)展
觸覺傳感器:據(jù)最新研究顯示,以色列理工大學(xué)的研究人員受人體皮膚生物修復(fù)過程的啟發(fā),決定研發(fā)與人體皮膚類似的自我修復(fù)系統(tǒng),開發(fā)出了一種柔性高分子樹料,它在遭受“傷害”(即刮擦、割傷或扭傷)時(shí)能夠“自愈”。這種材料運(yùn)用于傳感器領(lǐng)域與智能機(jī)械,很大可能獲得具有自我修復(fù)能力的柔性電子皮膚,未來可運(yùn)用在假肢生產(chǎn)等生物醫(yī)學(xué)或人工智能領(lǐng)域。
嗅覺傳感器:英國(guó)生化學(xué)家Gardner和Persand教授比較早提出研究具有人工嗅覺的器件的前景和用途,并且在Nature上發(fā)表了仿生人工嗅覺的假想和好處,隨后國(guó)外開始慢慢的興起仿生學(xué)的熱潮。
Huotari利用了麗蠅是嗅神經(jīng)元對(duì)1,4-丁二胺(1,4-diam inobutane,1,4-DAB)、己醇(1-hexanol,HX)和丁酸(hutanioc acid,BA)三種氣體分子的反應(yīng),找到了適用于傳感器檢測(cè)的嗅神經(jīng)元。目前處于實(shí)驗(yàn)室研究中,有關(guān)于氣體檢測(cè)的傳感器和分析的儀器種類頗多,但真正能夠具有仿生功能且可以投入市場(chǎng)運(yùn)作的電子鼻仍然屈指可數(shù)。
視覺傳感器:Banner工程公司生產(chǎn)出的部分視覺傳感器已經(jīng)能夠捕獲高達(dá)百萬像素,無論在距離目標(biāo)幾米甚至幾厘米遠(yuǎn)處,傳感器都能夠正確鎖定十分清晰的目標(biāo)圖像、圖形。目前我國(guó)以及其他國(guó)家在視覺傳感器的發(fā)展都較為成熟,應(yīng)用都開始廣泛普及,但是國(guó)際整體來看,視覺傳感器大都存在目標(biāo)定位過程較為復(fù)雜,造成精確度低、耗時(shí)長(zhǎng)、不穩(wěn)定等問題。
2.1.1 精度穩(wěn)定低
目前的仿生傳感器大多都只能應(yīng)用于大批量,重復(fù)率高且目標(biāo)對(duì)象差異不大的情況,各種仿生傳感器的精確度都不是很高,且隨著檢測(cè)系統(tǒng)越來越復(fù)雜,很多仿生傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性仍有所不足,需要采取一定措施使得仿生傳感器在應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)低端到高端的發(fā)展。
2.1.2 多維感知難突破
隨著近年來科研人員的不懈努力,傳統(tǒng)傳感器在靈敏度、制造工藝、精確性、可靠性等方面已經(jīng)取得了較大進(jìn)步,且很多傳感器技術(shù)已進(jìn)入了市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段,但是作為發(fā)展和形成時(shí)間較短的仿生傳感器,不僅需要模仿人的感官的感知功能,還需要傳感器能夠?qū)⒏鞣N感應(yīng)功能集成起來實(shí)現(xiàn)多維感知。因此,很長(zhǎng)一段時(shí)間以來,實(shí)現(xiàn)多維感知功能一直是我國(guó)傳感器領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)和瓶頸之一。
2.2.1 加深對(duì)仿生傳感器的理論研究
隨著科學(xué)技術(shù)飛速,傳感器及其系統(tǒng)變的越來越復(fù)雜,且傳感器技術(shù)已經(jīng)成為影響自動(dòng)化業(yè)發(fā)展的瓶頸。傳感器技術(shù)面臨著極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時(shí)加快推進(jìn)傳感器技術(shù)的研發(fā),是一個(gè)國(guó)家發(fā)展必走的路。目前國(guó)內(nèi)的仿生傳感器技術(shù)研究已經(jīng)具備著一定的實(shí)力與規(guī)模,但是由于缺乏國(guó)外傳感器領(lǐng)域下堅(jiān)固的基礎(chǔ)系統(tǒng),想要取得突破性的進(jìn)展還需加大研發(fā)過程中的基礎(chǔ)性產(chǎn)品,在傳感系統(tǒng)的復(fù)雜化的當(dāng)下,更要看清其中的本質(zhì),把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。近幾十年以內(nèi),傳統(tǒng)的傳感技術(shù)還存在大量發(fā)展空間,只要加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)傳感領(lǐng)域的突破才能到達(dá)需求精度高的“仿生”水平。比如視覺傳感器的本質(zhì)即為光敏傳感器等技術(shù)的集合,只有對(duì)這些基礎(chǔ)領(lǐng)域加深研究才能到達(dá)高精度、高水平。同時(shí)還需要夯實(shí)國(guó)內(nèi)以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器技術(shù)是必不可少的過程,此外加強(qiáng)對(duì)傳感器制造工藝的研究,完善產(chǎn)品可靠性,才能保證國(guó)內(nèi)仿生傳感器技術(shù)的深入研究以及應(yīng)用的穩(wěn)定發(fā)展。
2.2.2 發(fā)展交叉學(xué)科實(shí)現(xiàn)多維感知功能
想要實(shí)現(xiàn)多維感知的功能必須將交叉學(xué)科精密聯(lián)系,讓生物科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、工程力學(xué)等學(xué)科的廣泛參與,首先應(yīng)該加大對(duì)仿生材料的創(chuàng)新以及推動(dòng)交叉技術(shù)的廣泛參與,同時(shí)也需要學(xué)習(xí)借鑒外國(guó)先進(jìn)技術(shù)在傳感器方面的應(yīng)用,加快我國(guó)傳感器設(shè)計(jì)水平,強(qiáng)化企業(yè)合作,簽訂協(xié)議學(xué)習(xí)更多的技術(shù),目前我國(guó)已與英、德、以色列等國(guó)家旗下幾百家公司表示愿意加強(qiáng)合作關(guān)系,并簽訂合作協(xié)議,推進(jìn)了中國(guó)傳感器行業(yè)的發(fā)展,讓其國(guó)企業(yè)在國(guó)內(nèi)開設(shè)子公司,提供更好的售后服務(wù)保障。在合作上實(shí)現(xiàn)雙贏的局面,這樣才能形成傳感器行業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展和創(chuàng)新。
仿生傳感器的誕生就是從生物界獲得靈感,近年來不斷發(fā)展研發(fā)出了很多生物化設(shè)備比如“看護(hù)機(jī)器人”、“仿生細(xì)胞傳感器”、“伴侶機(jī)器人”,相信在系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展和支持下,未來的仿生傳感器一定會(huì)產(chǎn)生更加貼近或具備生物化的仿生系統(tǒng),同時(shí)在仿生技術(shù)的不斷發(fā)展帶動(dòng)下,會(huì)促使仿生傳感器無論從種類還是性能都會(huì)有較大的提高,使得未來人類能夠模擬的生物特性的種類會(huì)不斷擴(kuò)大。
傳感器是人類向外界得到信息的主要工具,一直以來都沒有誰能取而代之,從與普通機(jī)械的檢測(cè)到與人,生物的有機(jī)聯(lián)系,仿生傳感器一步步的正在向智能化發(fā)展。5G 時(shí)代下,萬物互聯(lián)將成為新的趨勢(shì)。仿生傳感器技術(shù)在機(jī)電技術(shù)中的應(yīng)用將是實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的關(guān)鍵,研究并發(fā)展仿生傳感器,讓機(jī)電技術(shù)將會(huì)與智能技術(shù)更好地結(jié)合在一起,依靠傳感器收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)做出的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌分析等,在機(jī)器人控制以及其他需要機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域中,智能化將會(huì)成為最為廣泛的作業(yè)方式,同時(shí)產(chǎn)出和發(fā)展智能化的多種交叉學(xué)科,如具有對(duì)環(huán)境判斷可產(chǎn)生自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自增強(qiáng)等功能的智能材料,人力將會(huì)得到更大的解放,科技水平將得到質(zhì)的飛躍。
目前仿生傳感器的市場(chǎng)和技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)逐漸開始成熟化,但仿生傳感器精度,穩(wěn)定性低、多維感知難以突破等問題仍需要人們采取措施去解決,除了開發(fā)新系列的仿生傳感器外,也需要加大力度完成現(xiàn)有系列,將仿生傳感技術(shù)與生物學(xué)、工學(xué)等緊密相連,拓寬和鞏固我國(guó)傳感器領(lǐng)域的基礎(chǔ),積極與國(guó)外先進(jìn)傳感器領(lǐng)域交流。相信隨著人們從多層次、多角度地對(duì)仿生傳導(dǎo)機(jī)理進(jìn)行了交叉綜合的研究,未來一定會(huì)取得更多的進(jìn)展,不久的將來,模擬生物體功能的嗅覺、視覺、觸覺等仿生器的出現(xiàn)有可能會(huì)超過人類的五官能力,機(jī)器人的感官功能以及對(duì)目的物進(jìn)行操作的功能將一步完善。