潘曉君，鮑容容，潘曹峰

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南寧 530004；2.廣西大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院納米能源研究中心,南寧 530004；3.中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所,北京 100083；4.中國科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100049）

人類每天都通過皮膚的觸覺與世界進(jìn)行互動(dòng)，皮膚作為人體最大的器官，可感知壓力、應(yīng)變、溫度和濕度等信息.類似于人體皮膚的這些功能，觸覺傳感器通過多種傳感器的集成，可以給觸覺受損的人們提供物體的觸覺反饋，幫助人們感知到材料物性、運(yùn)動(dòng)與相對(duì)位置及環(huán)境溫度與濕度等信息，有助于智能裝備行為的控制，在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［1］.觸覺傳感器通常由壓力傳感器及應(yīng)變傳感器為主組成.為了確保與非平整、粗糙和動(dòng)態(tài)的皮膚表面的牢固貼合接觸而又不妨礙日常活動(dòng)，柔性觸覺傳感器應(yīng)具有低模量、高拉伸性及良好的耐磨性，此外柔性觸覺傳感器還應(yīng)具有高靈敏度、輕便、低成本和低功耗的特點(diǎn).為了實(shí)現(xiàn)這些功能，具有更大的表面積和出色的材料特性以及與低成本制造工藝兼容的納米材料被廣泛用于開發(fā)柔性觸覺傳感器.

近年來，人們對(duì)于柔性觸覺傳感器的研究已經(jīng)不僅僅局限于提高靈敏度或者穩(wěn)定性，更多的關(guān)注點(diǎn)在于柔性觸覺傳感器應(yīng)用時(shí)遇到的問題.例如，柔性觸覺傳感器在使用過程中會(huì)出現(xiàn)磨損和斷裂狀況，對(duì)此采用能夠自我修復(fù)的材料可顯著延長柔性觸覺傳感器的使用壽命［2，3］.同時(shí)，自驅(qū)動(dòng)傳感技術(shù)的發(fā)展為解決能源供給問題提供了新的方法和思路［4，5］.此外，基于柔性/可拉伸襯底的多功能電子皮膚也被開發(fā)出來，可模擬皮膚對(duì)溫度［6～8］、濕度［9］、硬度［10］和剪切力等的響應(yīng)；甚至將柔性觸覺傳感器與檢測(cè)人體健康指標(biāo)（心臟速率［11，12］、血糖［13］、肌電［14，15］等）的傳感器相結(jié)合，得到柔性的可穿戴系統(tǒng)；以及通過簡單的觸摸屏完成人類與用戶之間的信息交互，或者將觸覺傳感器與智能機(jī)器人相結(jié)合，使智能機(jī)器人可以獲取周圍環(huán)境信息，更好地完成各項(xiàng)服務(wù)工作［16］.

本綜述旨在系統(tǒng)地介紹有關(guān)柔性觸覺傳感器的研究成果.在第一部分將介紹柔性觸覺傳感器電阻、電容、壓電和摩擦電的工作機(jī)理以及柔性觸覺傳感器的靈敏層、電極和可拉伸襯底的結(jié)構(gòu)與性能研究；第二部分討論具有自愈合、自驅(qū)動(dòng)以及可視化等功能的新型觸覺傳感器，這些新型傳感器的出現(xiàn)和研究為實(shí)現(xiàn)柔性觸覺傳感應(yīng)用提供了可能；第三部分介紹了柔性觸覺傳感器在可穿戴電子技術(shù)、醫(yī)療保健以及人機(jī)交互界面等方面的應(yīng)用；最后，展望了柔性觸覺傳感器將面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向與前景.

1 柔性觸覺傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

觸覺傳感器，以壓力傳感器和形變傳感器為主，是將外界刺激引起的形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量和表征.觸覺傳感器常見的傳導(dǎo)機(jī)制有電阻［17］、電容［18］、壓電性［19］和摩擦電等.

電阻觸覺傳感器是通過測(cè)量電阻的變化來表征外界刺激.大多數(shù)基于納米材料的電阻觸覺傳感器由沉積在襯底上或嵌入襯底內(nèi)部的納米材料組成.重疊的納米材料形成了導(dǎo)電路徑，由于納米材料自身之間以及納米材料與聚合物之間的弱界面鍵合，導(dǎo)致它們?cè)谕饨鐧C(jī)械力刺激下易與襯底發(fā)生滑動(dòng)，從而導(dǎo)致導(dǎo)電路徑的變化［圖1（A）］）［20］.Gong等［17］在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜之間加入超薄金納米線浸漬薄紙制備了高靈敏的電阻型壓力傳感器，在外力作用下，金納米線浸漬薄紙與電極之間的導(dǎo)電通路會(huì)發(fā)生變化［如圖1（B）］.

Fig.1 Schematic illustration of the sensing mechanism of flexible tactile sensor（A）The proposed working mechanism of the micro-cracked strain sensor［20］.Copyright 2017，Elsevier Ltd.；（B）schematic illustration of the sensing mechanism［17］.Copyright 2014，Springer Nature；（C）working principle of piezoelectric tactile sensor［21］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（D）schematic of main working modes of TENGs［23］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.；（E）capacitive tactile sensor［24］.Copyright 2014，Wiley-VCH.

壓電式觸覺傳感器是基于非中心對(duì)稱材料的壓電特性，在外界力的作用下晶體產(chǎn)生偶極矩，并在材料中產(chǎn)生宏觀電位［21］［圖1（C）］.以ZnO作為壓電材料制成的壓電彎曲傳感器可以通過測(cè)量電壓區(qū)域的變化來檢測(cè)彎曲曲率和速度.

摩擦電式觸覺傳感器是通過接觸或者靜電感應(yīng)在2種不同接觸物體之間形成正負(fù)相異的2種電荷，簡單來說，當(dāng)2種具有不同摩擦電極性的材料相互接觸時(shí)，摩擦電效應(yīng)促進(jìn)了2種材料表面之間的電荷轉(zhuǎn)移［22］，導(dǎo)致表面兩側(cè)形成相反的電荷；當(dāng)兩表面分開時(shí)，由于靜電感應(yīng)，在頂部和底部電極上形成補(bǔ)償電荷；這種感應(yīng)促進(jìn)電流通過外部電路從材料的正極流向負(fù)極，直到累積的電荷在電極上被中和至平衡；當(dāng)2個(gè)不同材料更加接近時(shí)，電流會(huì)從負(fù)極到正極流動(dòng).當(dāng)外力作用時(shí)，外部電流信號(hào)發(fā)生改變，從而達(dá)到觸覺傳感的效果［23］［圖1（D）］.

電容式觸覺傳感器通常是外界力導(dǎo)致彈性電介質(zhì)發(fā)生變形，使上下電極之間的距離縮短，從而引起電容的變化［24］［圖1（E）］.通過將銀納米線等導(dǎo)電材料分散在介電層中，可以更有效地檢測(cè)外力作用下電容信號(hào)的輸出.

1.2 靈敏層設(shè)計(jì)與常用材料

靈敏層是傳感器的核心部件，靈敏層的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)乎傳感器的性能.常用的靈敏層材料包括以銀、金、銅等為代表的金屬材料、石墨烯和碳納米管為主的碳材料以及PEDOT∶PSS為主的導(dǎo)電聚合物.

金屬納米材料因具有導(dǎo)電性能好和易加工等優(yōu)點(diǎn)而成為最廣泛使用的傳感器材料.金屬納米顆粒［25，26］、金屬納米線［27，28］及金屬薄膜［29］都是常用的靈敏層材料.Park等［30］通過一步直接轉(zhuǎn)移的方法在PDMS壓模上獲得具有圖案化的銀納米顆粒薄膜.制備的具有微裂紋結(jié)構(gòu)的傳感器具有高拉伸性（20%）和高靈敏度（在0.8%的應(yīng)變下GF值為12.5），并具有快速響應(yīng)和良好的耐久性（在10%應(yīng)變下可進(jìn)行1000次循環(huán)）等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人類手指和腕部運(yùn)動(dòng)的檢測(cè).魏取福課題組［31］制備了基于熱塑性聚氯酯彈性體（TPU）電紡膜的碳納米管橋接銀納米顆粒的應(yīng)變傳感器［圖2（A）］，此傳感器具有550%的應(yīng)變拉伸范圍，應(yīng)變系數(shù)高達(dá)7066，并且在1000次循環(huán)測(cè)試中呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，不僅可用于人類運(yùn)動(dòng)的大范圍檢測(cè)，還可以用于聲音等小應(yīng)變的檢測(cè).

由于碳材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和生物相容性，近年來被越來越多地應(yīng)用于柔性可穿戴傳感器的制備中.常見的碳材料有石墨烯［32，33］、碳納米管［34，35］及炭黑［36］.其中，碳納米管（CNT）和石墨烯作為新型材料成為近些年的研究熱點(diǎn).碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，成為制備柔性觸覺傳感器件的優(yōu)秀候選者.Stolojan等［37］將CNT在PDMS彈性體中對(duì)齊.在水平方向上對(duì)齊碳納米管以減少碳納米管結(jié)點(diǎn)的數(shù)量，并垂直于拉伸應(yīng)變方向引入鱗片狀結(jié)構(gòu)［圖2（B）］.碳納米管的排列和鱗片狀的結(jié)構(gòu)特征可以調(diào)節(jié)電子傳導(dǎo)路徑，使其在15%的應(yīng)變下GF值約為594，顯著提高了傳感器的靈敏度.石墨烯（Graphene）是由單層碳原子組成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，具有良好的光學(xué)性能、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能以及非常高的載流子遷移率［38～40］.曹鏞課題組［41］用超聲波剝離的方法將石墨烯從基材上剝離并形成高密度的納米裂紋，制備的傳感器具有高拉伸性（100%）和高靈敏度（在20%應(yīng)變下GF值為72，在100%應(yīng)變下GF＞10000）.此傳感器具有聲音音色的識(shí)別能力，且不會(huì)出現(xiàn)明顯的波形失真.

近年來，由生物材料制得的碳材料因具有良好的導(dǎo)電性、環(huán)保性及原材料廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注.張瑩瑩團(tuán)隊(duì)［42］將具有絲素蛋白的蠶絲纖維通過簡單的熱處理制得具有導(dǎo)電性能的碳化絲納米纖維膜，再用透明的碳化納米纖維和非結(jié)構(gòu)化的PDMS膜制備了柔性可穿戴的壓力傳感器［圖2（C）］.由于碳化絲納米纖維具有獨(dú)特的N摻雜碳納米纖維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以獲得高靈敏度（34.47 kPa-1）、超低的檢測(cè)下限（0.8 Pa）、快速響應(yīng)時(shí)間（16.7 ms）以及高循環(huán)穩(wěn)定性（10000次循環(huán)）.該壓力傳感器可應(yīng)用于微小的觸摸動(dòng)作以及人體生理信號(hào)的檢測(cè).付紹云研究組［43］將天然棉線在氮?dú)庵袩峤庵瞥蓪?dǎo)電碳絲再用PDMS封裝，得到具有高拉伸性的應(yīng)變傳感器，且線性的傳感器可以集成到紡織品中，賦予了其對(duì)紡織品監(jiān)測(cè)的功能.

導(dǎo)電聚合物具有加工性良好、比重小、生產(chǎn)成本低和能效高等特點(diǎn)，是制備可穿戴柔性傳感器的常用材料.常用的導(dǎo)電聚合物有聚吡咯［44］、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）∶聚（4-苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT∶PSS）［45～47］以及聚苯胺［48，49］等.Park等［50］在微型金字塔PDMS基材上使用PEDOT∶PSS，制得了拉伸40%時(shí)靈敏度為10.3 kPa-1（＜3 kPa壓力范圍）且工作電壓約為0.2 V的傳感器［圖2（D）］，同時(shí)可以利用摩擦起電效應(yīng)供應(yīng)能量，實(shí)現(xiàn)了傳感器的自供電.但目前導(dǎo)電聚合物的穩(wěn)定性與金屬和石墨烯相比還存在較大差別，是限制其大規(guī)模應(yīng)用的缺陷.

Fig.2 Basic structure of the flexible tactile sensor（A）A strain sensor with silver nanoparticles bridged by carbon nanotubes as a sensitive layer［31］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（B）crack changes under strain for a strain sensor with graphene as a sensitive layer［41］.Copyright 2019，Wiley-VCH；（C）pressure sensor with carbonized silk fiber as sensitive layer［42］.Copyright 2017，Wiley-VCH；（D）stretchable pressure sensors coated with PEDOT∶PSS on pyramid surfaces［50］.Copyright 2014，Wiley-VCH.

1.3 電 極

柔性可拉伸電極是柔性可穿戴傳感器的關(guān)鍵組成部分.為了使電極與靈敏層有良好的接觸以減小信噪比，通常會(huì)選用與靈敏層相同的導(dǎo)電材料來制備電極.

金屬的導(dǎo)電性好及易加工等特點(diǎn)使得金屬電極成為應(yīng)用最廣泛的電極，但普通金屬電極在柔性觸覺傳感器制備中存在拉伸性能差和透光率差等問題，通常采用在金屬電極上產(chǎn)生裂紋結(jié)構(gòu)的方法，以保證金屬電極的拉伸性.本研究組［51］通過靜電紡絲和磁控濺射的方法制備了硫化銅的納米導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)［圖3（A）］，此導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的薄層電阻為20Ω/sq，且透射率高達(dá)80%.馬劍鋼等［52］通過氧等離子體處理輔助的裂紋模板和電鍍的方法制備了具有Cu裂紋網(wǎng)絡(luò)的金屬透明電極，得到透射率為80.1%和薄層電阻為0.72Ω/sq的透明電極.但是，在金屬電極上產(chǎn)生裂紋結(jié)構(gòu)的方法僅適用于小應(yīng)變的情況下，且存在制備的裂紋質(zhì)量不高的問題.

Fig.3 Electrodes and substrates（A）CuS network transparent electrode［51］.Copyright 2016，Royal Society of Chemistry；（B）high-temperature resistant organic gel ion conductor［54］.Copyright 2019，American Chemical Society；（C）mechanical properties of poly（3-hexylthiophene）films［65］.Copyright 2019，Elsevier B.V.；（D）matrix network with island bridge structure［67］.Copyright 2019，Springer Nature.

1.4 柔性可拉伸襯底

柔性可拉伸襯底是影響柔性可穿戴傳感器可拉伸性的關(guān)鍵成分，對(duì)傳感器的拉伸性柔軟度以及穩(wěn)定性具有關(guān)鍵性作用.實(shí)現(xiàn)襯底的可拉伸性通常采用2種方法：第一種方法是采用本身固有拉伸性的材料當(dāng)作襯底，如常用的柔性基底有聚對(duì)苯二甲酸二酯（PET）［59］、聚酰亞胺（PI）［60］、聚乙烯（PE）［61］、聚氨酯（PU）［62］、聚二甲基硅氧烷（PDMS）［63］，以及為提高佩戴者舒適度和透氣性而選擇的織物［64］等材料.此外，鮑哲南等［65］從分子角度（如分子量、區(qū)域規(guī)則性、主鏈和側(cè)鏈修飾等）研究了結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系［圖3（C）］，通過分子設(shè)計(jì)為材料在電荷傳輸不間斷的情況下所允許的最大機(jī)械變形提供了理論指導(dǎo).第二種方法是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將拉伸性能較差的材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛己美煨阅艿牟牧?本研究組［66］充分利用蛇形結(jié)構(gòu)的可延展性，將拉伸性能低的金屬制備成拉伸性能達(dá)70%的電容式多功能傳感器.通過設(shè)計(jì)島橋結(jié)構(gòu)［圖3（D）］，我們還得到了拉伸強(qiáng)度可達(dá)300%的高延展性和順應(yīng)性的矩陣網(wǎng)絡(luò)［67］.

2 柔性觸覺傳感器的基本性能與優(yōu)化方式

為考察柔性可穿戴傳感器的性能優(yōu)劣，通常從可拉伸性和與皮膚貼合度、靈敏度與分辨率、循環(huán)穩(wěn)定性以及傳感器的線性度等方面來表征.

2.1 可拉伸性和與皮膚的貼合度

可拉伸性是確定可穿戴式觸覺傳感器柔性的關(guān)鍵參數(shù)，它使傳感器在隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)期間能夠拉伸和彎曲而不會(huì)損壞.

由于人體皮膚為彈性粗糙表面，所以傳感器與皮膚的貼合程度直接影響信號(hào)的識(shí)別和檢測(cè).鮑哲南課題組［68］設(shè)計(jì)了上層為金字塔形的電容傳感器以增強(qiáng)靈敏度和信號(hào)檢測(cè)，下層為微柱的結(jié)構(gòu)可增加與皮膚的貼合度［圖4（A）］，將傳感器與皮膚貼合度提高到了98%，并使傳感器的信號(hào)比提高12倍，能夠達(dá)到檢測(cè)頸動(dòng)脈中微弱信號(hào)的效果.

Fig.4 Basic performance of flexible tactile sensors（A）Schematic diagram of a pressure sensor containing a microhair structure［68］.Copyright 2014，Wiley-VCH；（B）self-assembly process and pressure response sensitivity curves of pressure sensors［83］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.；（C）the microstructure of different structure：（Ⅰ）the microstructure of the pyramid［75］，Copyright 2014，Wiley-VCH；（Ⅱ）microsphere interlock structure［76］，Copyright 2014，American Chemical Society；（Ⅲ）microstructures with blades as templates［78］，Copyright 2017，Wiley-VCH；（Ⅳ）a tiny structure modeled on silk［79］，Copyright 2013，Wiley-VCH；（D）cyclic stability of Ag NFs［5］，Copyright 2018，Wiley-VCH.

2.2 靈敏度

觸覺傳感器的靈敏度可定義為電響應(yīng)信號(hào)與施加外力或者形變之間的比率，是確定觸覺傳感系統(tǒng)性能的最重要參數(shù).優(yōu)化傳感器靈敏度有2種方法：第一種方法是設(shè)計(jì)新型原理的傳感器，如受蜘蛛的狹縫器官啟發(fā)所設(shè)計(jì)的微裂紋結(jié)構(gòu)觸覺傳感器［69］；第二種方法是利用微納加工技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有傳感器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其靈敏度.

近年來，由于微納加工技術(shù)的發(fā)展，利用微納陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化傳感器性能的研究成為熱點(diǎn).常用的微納陣列結(jié)構(gòu)有金字塔結(jié)構(gòu)［70］、微球［71］/微柱［72］結(jié)構(gòu)以及多孔結(jié)構(gòu)等.金字塔形狀的微結(jié)構(gòu)因其制備過程比其它常見微結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)節(jié)且靈敏度高而被廣泛應(yīng)用［73］.鮑哲南研究組［74，75］通過2次脫模過程得到金字塔微結(jié)構(gòu)，研究了不同幾何形狀及尺寸的微結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能的影響［圖4（C）中（Ⅰ）］，并解決了非結(jié)構(gòu)化的PDMS存在的黏連問題.帶有金字塔型微結(jié)構(gòu)的傳感器比無結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度最高可提高30倍［74］，金字塔結(jié)構(gòu)的斜邊斜率越大靈敏度越高［75］.除金字塔型的微結(jié)構(gòu)外，微球結(jié)構(gòu)因能夠檢測(cè)分辨力的方向，也被廣泛研究.Park等［76］通過模仿人類表皮中的表皮皮脊互鎖結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了微球陣列［如圖4（C）中（Ⅱ）］，其中圓頂形導(dǎo)電彈性體的互鎖幾何形狀使應(yīng)力集中在接觸點(diǎn)上，導(dǎo)致微區(qū)變形，從而提高了壓阻對(duì)各種觸覺刺激的敏感性，同樣互鎖的微球?qū)τ诜ㄏ蛄图羟辛Φ碾娮枳兓厔?shì)和強(qiáng)度不同，所以能夠檢測(cè)力的方向和強(qiáng)度.

上述微結(jié)構(gòu)是通過光刻等方法制備的，存在工藝較復(fù)雜、成本較高且耗時(shí)長等問題.為解決此問題，研究者將目光放在生物材料上［77］.張瑩瑩研究組［78］直接用表面帶有微球結(jié)構(gòu)的葉子作為模板，得到了具有分級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的大面積PDMS膜［如圖4（C）中（Ⅲ）］，再通過化學(xué)氣相沉積的方法合成石墨烯和碳納米管的雜化膜，將雜化膜轉(zhuǎn)移到具有微結(jié)構(gòu)的PDMS上，制備了具有良好的結(jié)構(gòu)完整性和豐富的敏感部位的壓力傳感器.此傳感器可檢測(cè)細(xì)微的壓力扭曲力和聲震動(dòng)等，但是每個(gè)葉子的尺寸結(jié)構(gòu)不一，所得傳感器無法控制其微結(jié)構(gòu)的尺寸和樣式.基于此，張珽等［79］將PDMS涂覆到絲綢上進(jìn)行固化，然后從絲綢上剝離，得到了均勻的微結(jié)構(gòu)［如圖4（C）中（Ⅳ）］.通過調(diào)節(jié)絲綢的間距，可隨意調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)的尺寸.該方法可以非常容易地大規(guī)模制備微結(jié)構(gòu).

2.3 分辨率

分辨率是指?jìng)鞲衅骺筛惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力.通常靈敏度高的傳感器能檢測(cè)到較小外力的信號(hào).Kim等［69］通過蜘蛛的狹縫器官得到啟示，制備了含有納米級(jí)裂縫的傳感器，該傳感器可以檢測(cè)瓢蟲所施加的壓力（5 Pa）以及頻率為200 Hz，振幅為14μm的震動(dòng).同樣，我們［80］通過裂紋結(jié)構(gòu)制備了高靈敏、低檢測(cè)下限的觸覺傳感器，除了能夠檢測(cè)0.01%的應(yīng)變外，對(duì)于羽毛拂過、水滴下落等微小變形也能夠檢測(cè)到.馬劍鋼等［52］利用氧等離子體輔助裂紋模板和電鍍法制備了溶液處理的銅裂紋網(wǎng)狀透明電極，基于透明電極的嵌入式Cu網(wǎng)絡(luò)壓力傳感器能夠檢測(cè)1.1 Pa的壓力.

2.4 線性范圍

線性度是傳感器輸入與輸出成線性的范圍.線性響應(yīng)范圍越寬，就越利于校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理，從而使傳感器的應(yīng)用更加方便，測(cè)量結(jié)果更可靠.Cho等［32］使用皺紋結(jié)構(gòu)修飾表面的化學(xué)氣相沉積石墨烯/PDMS微球陣列，制備了一種高度靈敏的壓阻式壓力傳感器，因其采用分層的石墨烯/PDMS陣列，上下顛倒放置在底部的叉指電極上，充當(dāng)?shù)撞糠蛛x的共面電極之間的導(dǎo)電橋，其線性響應(yīng)范圍為0～12 kPa.任天令等［81］使用具有高斯隨機(jī)分布表面輪廓的壓阻納米復(fù)合材料制造了柔性壓力傳感器，將線性響應(yīng)上限提高到14 kPa.李紅變團(tuán)隊(duì)［82］將荷葉的多尺度層次表面復(fù)制到PDMS上，使PDMS表面具有微米和納米尺度的圖案，噴涂的石墨烯薄膜用作活性電極，所制備的壓力傳感器具有0～25 kPa的寬線性范圍，靈敏度為1.2 kPa-1，檢測(cè)下限為5 Pa，且穩(wěn)定性較高（＞1000次循環(huán)）.潘曹峰和陳濤團(tuán)隊(duì)［83］借助于毛細(xì)作用力誘導(dǎo)的壓縮，將石墨烯納米片噴涂在液體/空氣表面上，形成高導(dǎo)電性自組裝的石墨烯薄膜，并轉(zhuǎn)移到具有微結(jié)構(gòu)的PDMS膜上［圖4（B）］，褶皺結(jié)構(gòu)存在一定的拉伸性，所制備的壓力傳感器同時(shí)具有高靈敏度（1875.53 kPa-1）和較寬的線性響應(yīng)范圍（0～40 kPa）.

在礦區(qū)Ⅰ號(hào)鉛鋅礦體南部斷裂破碎帶中見寬約8m、地表可見長度約350m的賦存于安山巖與灰?guī)r的伴生金、銀、鉛、鋅礦化的銅礦體。斷裂帶南段賦存于大哈拉軍山組英安巖中見一金礦化體。斷裂帶為一條NNW向張扭性、韌脆性疊加斷裂。銅礦體的形成是由于基地?cái)嗔鸦顒?dòng)以后，造成其次一級(jí)NNW向控礦斷裂的活動(dòng)，同時(shí)熱液又使深部的銅進(jìn)一步活化、遷移并到斷裂破碎帶中富集沉淀，銅品位相對(duì)較高[6]。

由于在外力作用下，觸覺傳感器的靈敏層會(huì)經(jīng)歷均質(zhì)到異質(zhì)的變化，所以大多數(shù)的觸覺傳感器都是非線性的［84］.此外，為提高觸覺傳感器靈敏度所引入的微結(jié)構(gòu)有時(shí)也會(huì)降低觸覺傳感器線性響應(yīng)范圍.因此，觸覺傳感器應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)景在高靈敏度和寬線性范圍之間權(quán)衡；同時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)新型傳感器結(jié)構(gòu)，以求在較高靈敏度下有著較寬的線性檢測(cè)范圍，方便觸覺傳感器的校準(zhǔn)與使用.

2.5 循環(huán)穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和力滯效應(yīng)

循環(huán)穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和力滯效應(yīng)是評(píng)估動(dòng)態(tài)負(fù)載下傳感器性能的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù).循環(huán)穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅魇褂靡欢螘r(shí)間后其性能保持不變的能力.響應(yīng)時(shí)間決定了傳感器響應(yīng)刺激的速度.力滯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致在加載和卸載外力時(shí)傳感器的感應(yīng)性能不一致.

由于聚合物的黏彈性，在所有基于聚合物的觸覺傳感器中都存在力滯行為、響應(yīng)延遲和循環(huán)不穩(wěn)定性等問題［85］.為了優(yōu)化傳感器性能，應(yīng)優(yōu)選低黏彈性的聚合物或者采用結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的方式降低聚合物的黏彈性.Park等［86］采用對(duì)稱的三明治結(jié)構(gòu)，其中傳感層完全嵌入到柔性基板中并從兩側(cè)對(duì)稱地封裝，組裝后的應(yīng)變傳感器顯示出優(yōu)良的穩(wěn)定性、寬線性范圍且在40%的應(yīng)變下無滯后現(xiàn)象.Wang等［87］在PDMS中加入碳納米纖維與石墨烯納米板制備了可拉伸應(yīng)變傳感器，其可承受1000次的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試.由于織物的黏彈性遠(yuǎn)小于聚合物，所以以織物為基底的柔性觸覺傳感器在循環(huán)穩(wěn)定性和力滯方面存在較大的優(yōu)勢(shì).我們［5］利用靜電紡絲、光刻技術(shù)和濕法刻蝕制造了大型的圖案化銀納米纖維電極［圖4（D）］，所制備的觸覺傳感器的響應(yīng)時(shí)間為70 ms，在10%的應(yīng)變下循環(huán)次數(shù)可達(dá)到2700次.

3 新型可穿戴觸覺傳感器

為更好地滿足柔性觸覺傳感器的應(yīng)用需求，具有自修復(fù)和自愈合、自驅(qū)動(dòng)、生物相容性、可降解和可視化等性能的新型觸覺傳感器被陸續(xù)研發(fā)出來.

3.1 可自修復(fù)和自愈合的觸覺傳感器

傳感器在實(shí)際應(yīng)用中難免受到損壞，為了提高傳感器的使用壽命，能夠自我愈合和自我修復(fù)的材料成為了研究的熱點(diǎn).

自愈合和自修復(fù)的過程通常采用2種方法進(jìn)行.一種是將修復(fù)劑填充到損壞部位，使修復(fù)劑與斷裂表面產(chǎn)生聚合網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到修復(fù)的目的.另一種方法是采用含有動(dòng)態(tài)可逆鍵的材料，使材料本身在斷裂處重新產(chǎn)生連接鍵，恢復(fù)其原有的性能.張新星團(tuán)隊(duì)［88］基于超分子金屬-配體配位鍵和分層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)彈性體制備了壓阻正負(fù)可調(diào)且可自修復(fù)的應(yīng)變傳感器.他們將氯化鋅修飾的環(huán)氧化天然橡膠和組氨酸修飾的納米素纖維單體共聚形成超分子金屬-配體配位結(jié)合彈性體，彈性體通過組氨酸和Zn2+之間的可逆配位反應(yīng)進(jìn)行交叉共聚，使得彈性體具有優(yōu)異的自修復(fù)性能.所制備的彈性體切割后2 min內(nèi)愈合，并且復(fù)原后的彈性體仍可承受1000%的拉伸應(yīng)變.張新星課題組［89］還制備了一種納米結(jié)構(gòu)的超分子彈性體，此彈性體具有氫鍵相互作用和金屬-配體配位的雙重非共價(jià)網(wǎng)絡(luò)，可在30 s內(nèi)自主恢復(fù)99%，具有很高的治愈效率.此外，得益于3D導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，該傳感器具有很高的電靈敏度和非常低的檢測(cè)極限（0.2%應(yīng)變），可用于檢測(cè)人體微小應(yīng)變.徐航勛等［48］制備的聚苯胺、聚丙烯酸和植酸組成的三元聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出高拉伸性（≈500%）和出色的自愈性能，斷裂時(shí)電氣和機(jī)械性能均可通過恢復(fù)動(dòng)態(tài)氫鍵和靜電相互作用從而在24 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)99%的恢復(fù)［圖5（A）］.陳詠梅團(tuán)隊(duì)［3］將金屬配位鍵整合到了一個(gè)松散交聯(lián)的離子凝膠網(wǎng)絡(luò)中，得到了一種離子凝膠納米復(fù)合材料，此復(fù)合材料能夠在-20～60℃的環(huán)境下完成自愈，且制備的傳感器在800%～1400%的應(yīng)變下拉伸時(shí)靈敏度系數(shù)（GF）為20.

Fig.5 A new flexible tactile sensor（A）Schematic illustration of the self-healable conductive polymer composit［48］.Copyright 2017，Wiley-VCH.（B）The working mechanism of the friction nano generator［91］and the electrical output performance of the self-driven tactile sensor［93］.Copyright 2018，Wiley-VCH；Copyright 2020，Elsevier Ltd.（C）Visual tactile sensor I—V curve characteristics of single ZnO nanowires under different pressures and visual display of letter E under different pressures［98］.Copyright 2017，Wiley-VCH.（D）Degradation process of biodegradable tactile sensors［109］.Copyright 2019，American Chemical Society.

3.2 自驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器

在使用過程中，觸覺傳感器的電源供應(yīng)是一個(gè)重要問題.電池的大尺寸、重量和硬度也限制了它們?cè)谥悄芟到y(tǒng)的微納柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用.因此，從自然界中收集能量并將其轉(zhuǎn)化為電能對(duì)于未來的觸覺傳感器具有重要意義.具有自驅(qū)動(dòng)功能的傳感器無需外部供電，更適合可穿戴應(yīng)用.2012年，王中林等［91］首次提出了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的概念，為機(jī)械能的收集提供了新的思路.TENG的原理基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)的耦合.TENG具有以下4個(gè)基本工作模式：單電極模式、垂直接觸分離模式、橫向滑動(dòng)模式和獨(dú)立式摩擦電層模式［92］.王中林課題組［93］研究了2種不同電負(fù)性的材料之間的相對(duì)機(jī)械作用，所產(chǎn)生的摩擦電荷會(huì)導(dǎo)致周圍電勢(shì)的改變，從而激發(fā)磷沿運(yùn)動(dòng)軌跡的電致發(fā)光，所制備的自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器在20 kPa的范圍內(nèi)具有0.03 kPa-1的靈敏度.代坤等［94］通過多層熱塑性聚氨酯（TPU）/銀納米線（AgNWs）/還原氧化石墨烯（rGO）制造了基于可拉伸摩擦電納米發(fā)電機(jī)（STENG）的柔性自驅(qū)動(dòng)電子皮膚［如圖5（B）所示］.所制備的自驅(qū)動(dòng)壓力傳感器的靈敏度可高達(dá)78.4 kPa-1，響應(yīng)時(shí)間為1.4 ms.尺寸為2 cm×2 cm的傳感器能提供202.4 V的開路電壓和6 mW/m2的瞬時(shí)功率密度，可以用作高效的能源供應(yīng)設(shè)備.王中林團(tuán)隊(duì)［95］將聚四氟乙烯和尼龍層緊密連接，所制備的傳感器可以在0.1～3.2 kHz的超寬頻率范圍內(nèi)測(cè)量快速變化的壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)自供電抗干擾喉嚨的語音記錄和識(shí)別，以及高精度多模式的生物特征認(rèn)證.

除了摩擦納米發(fā)電機(jī)作為觸覺傳感器的供電裝置外，太陽能電池也為觸覺傳感器的自供電提供了一種思路.我們［96］以氧化鋅納米線為電子傳輸層在室溫下制備了柔性的鈣鈦礦太陽能電池，利用壓電效應(yīng)將柔性ZnO基鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率提高了近40%，可將太陽能電池和觸覺傳感器相結(jié)合，為自驅(qū)動(dòng)的觸覺傳感器研究提供了新思路.

3.3 可視化觸覺傳感器

觸覺傳感器采集的是電信號(hào)的改變，對(duì)于集成度高、面積大的觸覺傳感器，逐點(diǎn)采集電信號(hào)需要較長的時(shí)間以及較為復(fù)雜的連接線結(jié)構(gòu)，限制了其在一些場(chǎng)合的使用.因此，人們將觸覺感測(cè)元件賦予發(fā)光特性，將施加的觸覺刺激轉(zhuǎn)化為可見光的強(qiáng)度［97］或者顏色變化的檢測(cè)，極大簡化了傳感器連接線結(jié)構(gòu)，減少了信號(hào)采集時(shí)間，為高速并行壓力分布采集提供了可能.

本課題組［98］將WO3薄膜電致變色器件與氧化鋅納米線矩陣壓力傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了500μm的空間分辨率和壓力可視化［圖5（C）］.通過施加外部壓力會(huì)在ZnO納米線的兩端產(chǎn)生壓電極化電荷，從而導(dǎo)致WO3的顏色變化，基于WO3的顏色記憶功能可實(shí)現(xiàn)無外界幫助下記錄壓力的效果.Park等［99］將基于納米級(jí)裂紋的應(yīng)變傳感器與分層的熱致變色膜相結(jié)合，將應(yīng)變傳感器所受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為熱致變色膜的顏色變化，方便檢測(cè)與觀察.孫雪梅等［100］將嵌入發(fā)光磷體的聚合物做成中空的套管，以纖維電極作為芯體制成發(fā)光的纖維壓力傳感器，通過電致發(fā)光可視化力刺激的實(shí)時(shí)強(qiáng)度和分布.我們［101］制備了基于p-GaN膜和n-ZnO納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的LED柔性壓力傳感器陣列，該陣列通過壓電效應(yīng)來增強(qiáng)發(fā)光，從而通過發(fā)光強(qiáng)度獲得壓力分布.力致發(fā)光材料是一種新型的發(fā)光材料，能夠在壓力［102］、拉伸、彎曲和擠壓等外力作用下發(fā)光［103］.孫陸逸團(tuán)隊(duì)［104］利用裂縫和褶皺結(jié)構(gòu)完成了4種不同類型的力致變色，通過施加外界應(yīng)變導(dǎo)致顏色發(fā)生變化，這些裝置被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)機(jī)械變色的傳感器，可以觀察到器件在拉伸期間發(fā)出從綠色到黃色再到橙色的熒光.宋延林等［105］將ZnS∶M2+（Mn/Cu）＠Al2O3力致發(fā)光顆粒和PDMS混合制備了可以通過發(fā)光來檢測(cè)應(yīng)力的觸覺傳感器，通過傳感器的亮度變化來檢測(cè)唇角、眼角以及臉頰的變化.

3.4 具有生物相容性和可降解的觸覺傳感器

在可穿戴式觸覺傳感器使用過程中，為避免人體產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)［106］，通常采用生物相容性比較高的材料來制備.Engelke等［107］制備了一次性生物相容性和可生物降解的壓力傳感器貼片，由電容性三明治結(jié)構(gòu)制成，使用可生物降解的材料聚癸二酸甘油酯作為電介質(zhì)層，金屬鎂作為電極.該設(shè)備可在使用期限后被人體完全吸收［圖5（D）］，避免了進(jìn)一步的手術(shù)干預(yù)并減少了廢物的產(chǎn)生.付俊等［108］用互穿PANI和聚丙烯酰胺共聚物合成了堅(jiān)韌的導(dǎo)電水凝膠網(wǎng)絡(luò)，可檢測(cè)出重復(fù)出現(xiàn)的大應(yīng)變和細(xì)微的振動(dòng)，且水凝膠具有良好的生物相容性.萬鵬博等［109］制備的基于多孔MXene納米片紙的可佩戴瞬態(tài)壓力傳感器以可生物降解的聚乳酸（PLA）作為基板及封裝層.可降解性能研究表明，該傳感器在37℃的磷酸鹽緩沖溶液（23%）和0.5 mol/L氫氧化鈉（NaOH）溶液（68%）中放置14 d后會(huì)降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何損害.

4 柔性觸覺傳感器在可穿戴電子領(lǐng)域的應(yīng)用

觸覺傳感器是解決人工智能和移動(dòng)醫(yī)療保健等相關(guān)問題的關(guān)鍵技術(shù)之一.本節(jié)描述了3種觸覺傳感器的應(yīng)用，并分析了該技術(shù)的發(fā)展對(duì)人們生活的潛在影響.

4.1 柔性觸覺傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

由于常規(guī)的健康檢測(cè)設(shè)備存在成本較高、無法長期佩戴及持續(xù)監(jiān)測(cè)等問題，基于柔性觸覺傳感器的可穿戴健康醫(yī)療設(shè)備憑借其柔軟可拉伸、與皮膚等人體組織相容性好及能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康信號(hào)等優(yōu)勢(shì)［110］，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了一席之地.

使用觸覺傳感器獲取眼壓、橈動(dòng)脈脈搏、呼吸率［111］、心電和肌電等生理信息可以檢測(cè)到一些早期的健康風(fēng)險(xiǎn).Jeong等［112］基于金納米顆粒制備了電阻應(yīng)變傳感器，可與傳統(tǒng)的心電圖設(shè)備一樣識(shí)別心臟的心動(dòng)圖（ACG）信號(hào)［圖6（A）］.ACG波形清楚地指示了所有特征峰，為心臟狀況診斷提供了有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心動(dòng)圖和血液動(dòng)力學(xué)的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控.鄧維禮研究組［113］利用微通道限制的MXene柔性多功能壓阻式壓力傳感器檢測(cè)了人類手腕處脈搏的信號(hào)變化，并能分辨出人類脈搏的典型峰值及特征，進(jìn)而可進(jìn)行心血管疾病的檢測(cè).Rogers等［114］設(shè)計(jì)了由觸覺傳感器、數(shù)據(jù)處理以及電源組成的表皮電子系統(tǒng)，此系統(tǒng)直接貼到人體皮膚上即可測(cè)量由心臟、大腦以及骨骼肌產(chǎn)生的電信號(hào).同時(shí)，他們還開發(fā)了一種只需要水就可以很好地黏附在皮膚上，從而對(duì)新生兒的生命體征進(jìn)行監(jiān)視的傳感器.該傳感器可提供溫度、心率、呼吸頻率、血氧飽和度以及脈搏等信息，并可與現(xiàn)有醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備兼容.張瑩瑩等［115］使用絲綢織物的碳纖維制備了靈活的多元汗液分析貼片，具有高靈敏度、良好的選擇性、長期穩(wěn)定性和良好的重復(fù)性，可監(jiān)測(cè)6種與健康相關(guān)的生物標(biāo)記物（葡萄糖、乳酸、抗壞血酸、尿酸、Na+和K+），并且將信號(hào)收集與傳輸組件集成在一起，實(shí)現(xiàn)了汗液中生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

Fig.6 Applications of flexible tactile sensors（A）Cardiac ACG signal resolution measurement system［112］.Copyright 2016，Wiley-VCH；（B）a real-time cardiac detection system that provides feedback through color changes［116］.Copyright 2017，American Chemical Society；（C）gloves with microcrack strain sensors can be used to control precise movement［80］.Copyright 2020，AIP Publishing；（D）pressure sensors that can detect arterial pulse signals［83］.Copyright 2019，Elsevier Ltd.

通常人體所產(chǎn)生的心電信號(hào)難以監(jiān)測(cè)，需要靠專業(yè)的醫(yī)生來監(jiān)控和分析.為了使檢測(cè)心電信號(hào)的可穿戴設(shè)備更加適用于家庭護(hù)理的使用，Kim等［116］制備了一種基于顏色可調(diào)的有機(jī)發(fā)光二極管的心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將傳感器與放大器集成在一起，用于連續(xù)檢測(cè)心電圖的信號(hào)［如圖6（B）所示］.再將檢測(cè)設(shè)備與顏色可調(diào)的發(fā)光二極管結(jié)合，用于將心電圖信號(hào)轉(zhuǎn)化為顏色變化.該系統(tǒng)在心臟正常情況下發(fā)紅光，在心臟活動(dòng)異常情況下發(fā)出藍(lán)色警報(bào)顏色.

4.2 柔性觸覺傳感器在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

有些疾病，例如阿爾茨海默病和帕金森等，在發(fā)病初期常常以異常的行走步伐和手的突然震顫等形式表現(xiàn)出來，因此，在日常生活中監(jiān)測(cè)身體活動(dòng)和正確的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)就非常重要.觸覺傳感器在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域主要分為2個(gè)方面：人體關(guān)節(jié)大應(yīng)變的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和呼吸以及面部表情等小應(yīng)變的監(jiān)測(cè).Hata等［117］制備了一種基于碳納米管的應(yīng)變傳感器，能夠識(shí)別膝蓋的彎曲、下蹲、跳躍、行走和跑步等活動(dòng)，還可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和頻率等運(yùn)動(dòng)信息.朱宏偉等［118］利用石墨烯制備了應(yīng)變傳感器，可以在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取呼吸頻率的信息，通過對(duì)呼吸頻率的監(jiān)測(cè)，為診斷睡眠障礙、哮喘和貧血等疾病提供依據(jù).Lee等［119］將PEDOT∶PSS與單壁碳納米管結(jié)合制備的超靈敏應(yīng)變傳感器能夠識(shí)別不同的面部表情和眨眼動(dòng)作，可以通過監(jiān)測(cè)眨眼動(dòng)作的頻率和強(qiáng)度來評(píng)估疲勞程度和人體健康.潘曹峰和陳濤團(tuán)隊(duì)［83］利用自組裝石墨烯的方法制備了可檢測(cè)脈搏信號(hào)的壓力傳感器［如圖6（D）所示］，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人們?nèi)粘＿\(yùn)動(dòng)的脈搏信號(hào).

可穿戴式觸覺傳感器的另一個(gè)重要用途是為殘疾人提供假體中的神經(jīng)集成觸摸反饋.我們［67］設(shè)計(jì)了一種受皮膚啟發(fā)的高度可拉伸和順應(yīng)性的矩陣網(wǎng)絡(luò)，它是一種多感官電子皮膚，能夠檢測(cè)溫度、面內(nèi)應(yīng)變、相對(duì)濕度（RH）、紫外線（UV）、磁場(chǎng)壓力和接近度，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)的多刺激感測(cè)，并具有可調(diào)節(jié)的感測(cè)范圍和大面積擴(kuò)展性，可能適用于高集成度大面積集成方案.

4.3 柔性觸覺傳感器在智能機(jī)器人的人機(jī)交互界面中的應(yīng)用

將柔性觸覺傳感器與智能機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行集成，智能機(jī)器人可以通過獲取柔性觸覺傳感器的信號(hào)來控制其動(dòng)作，完成模仿人類觸覺反應(yīng)的過程.當(dāng)帶有柔性觸覺傳感器的智能機(jī)器人與其它設(shè)備（如醫(yī)療設(shè)備）進(jìn)行集成時(shí)，可以代替人們完成精度要求較高和工作環(huán)境較危險(xiǎn)的工作.如，用柔性觸覺傳感器開發(fā)的一系列智能手套，可以通過與機(jī)器人電路集成等方法直接控制機(jī)器人的操作.Cheng等［120］使用金納米線制備的應(yīng)變傳感器通過無線電路的集成，可以直接控制機(jī)械手的操作.本研究組［80］將觸覺傳感器與手套相結(jié)合［如圖6（C）所示］，不僅可以檢測(cè)手在抓握過程中的壓力分布，幫助觸覺受損的人，還可以幫助外科醫(yī)生在手術(shù)過程中感受微小組織和血管變形.Sundaram等［121］在手套上分布548個(gè)傳感器的陣列，通過收集數(shù)據(jù)并分析用來識(shí)別抓握的觸覺特征，從而為機(jī)器人和假肢的應(yīng)用提供了可能.鮑哲南研究組［122］基于碳納米管制備了柔性觸覺傳感器，將此傳感器安裝在機(jī)械手上，使得機(jī)械手能夠通過觸覺傳感器的信息反饋完成拿取物品的操作，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)于易碎物品的無損拿取.Park等［86］使用銀納米線和PDMS制備了應(yīng)變傳感器，并基于此三明治結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器制作了一個(gè)智能手套，通過無線傳輸組件將智能手套的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī).通過此系統(tǒng)可以使機(jī)器人完成模擬手指彎曲的動(dòng)作.

5 總結(jié)與展望

本文介紹了柔性觸覺傳感器的主要研究進(jìn)展以及近期在可穿戴電子技術(shù)、醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備和智能機(jī)器人應(yīng)用等方面的研究成果.通過材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，柔性觸覺傳感器的靈敏度及線性度等基本特性得到了優(yōu)化.同時(shí)，自驅(qū)動(dòng)、自愈合、可視化等多功能傳感器的設(shè)計(jì)更加合理和成熟.柔性觸覺傳感器的發(fā)展與成熟推動(dòng)了其在生物醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)以及人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，從而進(jìn)一步促進(jìn)了智能系統(tǒng)的發(fā)展.

盡管觸覺傳感器的研究在過去幾年取得了巨大的發(fā)展與進(jìn)步，但是大多數(shù)傳感器仍處在基礎(chǔ)階段，在實(shí)際應(yīng)用中還存在巨大的挑戰(zhàn).第一個(gè)挑戰(zhàn)是在多種信號(hào)并行采集時(shí)需要不同類型傳感器同時(shí)工作，存在相互干擾的問題.例如同一個(gè)柔性觸覺傳感器可能會(huì)對(duì)多種刺激產(chǎn)生信號(hào)，從而難以確定產(chǎn)生信號(hào)的刺激類型以及每種刺激的大小.因此需要在材料選擇、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及信號(hào)提取分析等多方面進(jìn)行研究與優(yōu)化，以獲得多模態(tài)感知的新型傳感器及傳感系統(tǒng).第二個(gè)挑戰(zhàn)在于基于柔性觸覺傳感器的可穿戴系統(tǒng)的集成研究.目前關(guān)于傳感器的研究較多，并取得了豐富的研究成果，而系統(tǒng)集成研究還比較少見，其中數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理是可穿戴系統(tǒng)集成的一大瓶頸.無線傳輸盡管降低了導(dǎo)線的排布，但是傳輸速率以及傳輸距離的限制也非常明顯.獲得性能優(yōu)異的可穿戴觸覺系統(tǒng)，不僅需要材料和化學(xué)領(lǐng)域?qū)＜以谛虏牧?、新器件等領(lǐng)域優(yōu)化傳感器的性能研究，也需要電子和機(jī)械等領(lǐng)域的科學(xué)家在信號(hào)提取與分析，以及便攜式供能方面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可穿戴觸覺系統(tǒng)工作的研究.對(duì)傳感器與其它器件結(jié)合等多方面進(jìn)行研究，需要集成材料、電子、機(jī)械等多學(xué)科的新技術(shù)，以及各學(xué)科研究者們通力合作才能在將來取得關(guān)鍵性突破.