電子皮膚觸覺(jué)傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

劉沛源++陳威

摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的不多提高，電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破性的進(jìn)展，關(guān)于電子皮膚觸覺(jué)傳感器的研究也得到了空前的發(fā)展，在機(jī)器人、軍事、醫(yī)療健康、汽車(chē)安全和智能家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在不斷的發(fā)展過(guò)程中也存在著困難和挑戰(zhàn)，本文就國(guó)內(nèi)外對(duì)于電子皮膚觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展作出簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)對(duì)其存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探析。

【關(guān)鍵詞】電子皮膚 觸覺(jué) 傳感器 電子科學(xué)與技術(shù)

1 電子皮膚觸覺(jué)傳感器在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展

從科學(xué)的角度來(lái)講，電子皮膚就是一種新型可穿戴柔性仿生觸覺(jué)傳感器，它能夠?qū)崿F(xiàn)仿人類(lèi)觸覺(jué)感知功能的人造柔性電子器件?？茖W(xué)研究表明，人類(lèi)皮膚的感觸響應(yīng)時(shí)間是30到50毫秒，而電子皮膚傳感器的該響應(yīng)時(shí)間只要5毫秒，并且靈敏度能夠達(dá)到15.6kPa-1，同時(shí)還能做到循環(huán)工作10萬(wàn)次以上。從這些數(shù)據(jù)上看，電子皮膚對(duì)外界的感知絲毫不弱于人類(lèi)。

在2012年，韓國(guó)方面的科研人員在電子皮膚傳感器領(lǐng)域的研究取得突破性的進(jìn)展，他們研制成功了一種新的電子感應(yīng)器，這種傳感器在靈敏度方面甚至能夠和人類(lèi)的真是皮膚相比肩，幾乎可以代替皮膚感受外界環(huán)境帶來(lái)的刺激和產(chǎn)生的變化。韓國(guó)方面研究出的新型電子皮膚傳感器是由兩層分別為1mm厚左右的薄膜層疊加而成，兩層薄膜上遍布細(xì)小的纖維，同時(shí)其上面有著導(dǎo)電性能良好的金屬作為電能傳送，兩層薄膜疊加令上面的纖維得以接觸，進(jìn)而形成回路進(jìn)行工作。

2016年，中國(guó)科學(xué)研究院半導(dǎo)體所超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院的科學(xué)家和教授們經(jīng)過(guò)通力合作，終于在電子皮膚傳感器上取得了驕人的成就。他們利用石墨烯這種材料研發(fā)出了一種新型的柔性觸覺(jué)傳感器，這種傳感器也能夠媲美人類(lèi)的真實(shí)皮膚且能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似的功能，通過(guò)對(duì)外界的感知和判斷做出類(lèi)似于人體皮膚的相應(yīng)反應(yīng)且效果非常真實(shí)。同時(shí)，在軍事和醫(yī)療等領(lǐng)域有著很大的研究和發(fā)展的空間。

2 電子皮膚傳感器研究中遇到的問(wèn)題

雖然電子皮膚觸覺(jué)傳感器的研究已經(jīng)相當(dāng)深刻，取得了諸多成果，在機(jī)器人的研發(fā)領(lǐng)域更是一馬當(dāng)先，但是在其發(fā)展的過(guò)程中并不是一帆風(fēng)順的，科研人員遇到了很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

石墨烯這種材料在可穿戴設(shè)別中的應(yīng)用起到了不同凡響的效果，而在研發(fā)的過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題，例如，石墨烯這種自身導(dǎo)電性能良好的材料在壓阻型柔性壓力傳感器中應(yīng)用卻沒(méi)有收到良好的效果反饋，器件對(duì)壓力的電學(xué)性能變化沒(méi)有預(yù)期中的效果。相關(guān)的研究人員為了解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和研究，最終確定把聚偏氟乙烯納米纖維和石墨烯經(jīng)過(guò)科學(xué)的融合組成的三維網(wǎng)絡(luò)能夠提高其整體的電學(xué)性能的可調(diào)節(jié)性，對(duì)于在仿生電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用切合度更高。

由于專(zhuān)業(yè)的試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)別的缺乏，對(duì)于電子皮膚的研究也造成了不小的影響。在研究石墨烯這種材料在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的使用效果方面出現(xiàn)了問(wèn)題，整個(gè)研究過(guò)程中涉及到了相當(dāng)高頻率的循環(huán)工作和不同頻率壓力下的傳感器的靈敏度的變化，由于儀器設(shè)備的限制始終達(dá)不到理想的試驗(yàn)效果。為此，科研人員通過(guò)反復(fù)的研究和探析，發(fā)現(xiàn)了一種解決辦法，那就是把斬波器同砝碼聯(lián)合起來(lái)，通過(guò)斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)為試驗(yàn)營(yíng)造一個(gè)長(zhǎng)期而且穩(wěn)定的不同頻率下的壓力變化，為試驗(yàn)的進(jìn)一步開(kāi)展鋪平了道路。

對(duì)于電子皮膚陣列觸覺(jué)傳感器的柔性和彈性的和諧統(tǒng)一問(wèn)題成為了一個(gè)難題，對(duì)于模擬人類(lèi)皮膚，要求電子皮膚觸覺(jué)傳感器需要具備很高的柔性和彈性。為了解決這一難題，相關(guān)的科研人員對(duì)傳感器的組成材料進(jìn)行了精心的比對(duì)和篩選。在研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PDMS的化學(xué)惰性、溫度穩(wěn)定性、透明度等方面的具備著相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可以作為基底材料，CNT、石墨烯等作為主要的火星材料，然后經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析，設(shè)計(jì)出不同的方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和篩選確定最佳的結(jié)構(gòu)以達(dá)到其對(duì)于高柔性和高彈性的兼容。

日本福島的輻射問(wèn)題一直都沒(méi)有徹底根除，輻射問(wèn)題已經(jīng)傷及人們的根本，尤其在機(jī)器人都“陣亡”后，對(duì)于核輻射的問(wèn)題人們好像束手無(wú)策了，對(duì)于人類(lèi)直接的從事這一項(xiàng)工作已經(jīng)非常不適合。日本本田針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)于機(jī)器人做出了進(jìn)一步的趕緊，為機(jī)器人加入電子皮膚，增強(qiáng)其對(duì)周邊環(huán)境感知的靈敏度，使其深入核輻射的高危區(qū)域進(jìn)行工作。但是由于種種難度以及成本問(wèn)題，其研究的進(jìn)度不是很快，距離研究成果還有這一段距離。

3 電子皮膚傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

最近幾年，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的非常快，在新工藝和新材料方面體現(xiàn)的尤為突出，這對(duì)于電子皮膚傳感器的研究有著極大的促進(jìn)作用，在各方面得到了范圍性的應(yīng)用，在未來(lái)，其發(fā)展方向?qū)⑹歉哽`敏度、更加智能化以及綜合全面的發(fā)展。高柔彈性且靈敏度更高的多功能電子皮膚較傳統(tǒng)的石墨烯、單壁碳納米管等材料有著更大的優(yōu)勢(shì)和諸多的良性特點(diǎn)，更加的接近人類(lèi)的皮膚特征，能夠解決目前觸覺(jué)傳感器陣列功能單一的弊端，所以這是今后的一個(gè)重要的研究方向。

近期，科研人員對(duì)于人造仿生皮膚的研究格外熱切，這是一種可穿戴的設(shè)備，現(xiàn)在多被應(yīng)用在人工智能、醫(yī)療以及目前非?；鸨腣R領(lǐng)域，人造仿生皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別以及脈搏跳動(dòng)的捕捉等人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)與快速的檢測(cè)。對(duì)于許多燒傷燙傷患者、截肢患者以及整容者來(lái)說(shuō)，人造皮膚擁有觸覺(jué)可以給他們帶來(lái)很大的益處，這在未來(lái)的研究中有著很大的研發(fā)空間和開(kāi)發(fā)潛力，是電子皮膚的重點(diǎn)研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

電子皮膚觸覺(jué)傳感器作為科技時(shí)代的新型產(chǎn)物，給人們眼前一亮的感覺(jué)，也在不斷地影響著人們的生活，這是科學(xué)的力量，也是電子科學(xué)與技術(shù)的魅力，科研人員通過(guò)不斷地探索和鉆研，攻克一個(gè)有一個(gè)難題，相信在未來(lái)的發(fā)展之中，電子皮膚觸覺(jué)傳感器的研究會(huì)有更大的創(chuàng)新和突破，進(jìn)而廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域之中，為人們的生產(chǎn)生活做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張超然，劉婉姬，王立石，等.電子皮膚專(zhuān)利分析[J].中國(guó)發(fā)明與專(zhuān)利，2016（03）：26-32.

[2]石金進(jìn)，吳海彬，馬志舉.一種新型機(jī)器人仿生皮膚的設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2013，35（01）：32-38.

作者簡(jiǎn)介

劉沛源（1994-），男，河南省滑縣人。大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。

作者單位

洛陽(yáng)理工學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院 河南省洛陽(yáng)市 471000