柔性觸覺傳感器的研究進展與展望

陳瑀珣，李 毅，苑恒軼

(吉林工程技術師范學院，吉林 長春 130052)

肢體觸覺又稱觸感，是人體皮膚與物體接觸時產生的感覺，一般是物體硬度、溫度、濕度、粗糙度、振動頻率、觸覺壓力等諸多物理特性的綜合反饋。隨著傳感器的不斷完善，這種與人類相似的皮膚觸覺系統(tǒng)可以覆蓋機器人的表面，執(zhí)行各種人類涉及以及不可輕易涉及的任務[1]。靈感來源于對天然荷葉的疏水性和壁虎強大的攀爬能力，利用仿生物的方法制備了許多具有獨特天然生物結構的不規(guī)則微納結構，并將其應用到柔性觸覺傳感器中，使得新型柔性觸覺傳感器具有良好的綜合性能[2]。

柔性觸覺傳感器被稱為“擁有仿生智能皮膚的機器人”以及“電子皮膚機器人”。由于為了可以實施一些特殊的任務所以此傳感器具有一些特殊的功能，相對于傳統(tǒng)的傳感器相比，它不僅可以檢測物體特性，而且還具有感受不同的接觸力、冷熱度、潮濕度、震動頻率的功能。柔性觸覺傳感器的基本材料是微納米線、金屬合金以及碳納米管。隨著智能手機、臺式以及手提電腦、智能家用電器、各種寓教于樂設施等日常服務設施的普及和發(fā)展，其種類也隨之增多?！坝行胃锩笔且粋€智能場景，人們對柔性觸覺傳感器的需求越來越強烈，例如，類似于人體皮膚的電子皮膚對人體健康數(shù)據(jù)的改變是由脈搏、心跳、體溫、肌肉群振動等實時人體生理健康指標引起的。因此，對柔性觸覺傳感器進行研究不僅會促進機器人自身的控制系統(tǒng)的發(fā)展，也會促進商業(yè)娛樂、智能醫(yī)學、軍事保密和航空航天等領域的發(fā)展[3]。

一、常用柔性觸覺傳感器的特點與分類

(一)柔性觸覺傳感器的特點

柔性觸覺傳感器是使用符合規(guī)格的柔性材料所制成的傳感器，其具有高靈敏度、高柔韌性、響應速度快、延展性高甚至可以自由彎曲折疊。結構形式具有可選擇性，它可以根據(jù)不同要求的各種測量條件而進行變換，可以輕松便捷的對較復雜的被測目標快速檢測[4]。除了剛性觸覺傳感器的特點外，還具有柔軟可彎曲、重量輕、強大的可擴展性、高分辨率等特點。 這完全解決了剛性傳感器的低靈活性，低靈敏度，弱穩(wěn)定性，慢響應時間等問題。柔性觸覺傳感器由于其具有便于攜帶或覆蓋在機器人身體的不規(guī)則非平面表面的特點，并且可以清楚感知到周圍環(huán)境里微弱信號的變化。新型柔性觸覺傳感器廣泛應用在電子皮膚、智能醫(yī)療、體育器材、紡織行業(yè)、航空航天、環(huán)境勘測等領域[5]。

1.柔性觸覺傳感器兼顧高柔性、高彈性及延展性。美國斯坦福大學 Zhenan Bao 的研究小組 Lipomi團隊將碳納米管固定在PDMS基底板上，以此提供傳感器容量觸覺的一致性和良好的彈性以及透明度[6]。因為PDMS透明度高且彈性極好，因此其牽引比可達到100%。如前所述，雙碳納米管與彈性材料結合，為了保障整體彈性結構，因此設計出網狀結構來確保微絲的膨脹性能、導電性和彈性材料的伸長率。該陣列傳感器可以檢測正負壓力和拉伸強度，但由于總體的表達和伸長率會使冷凝信號發(fā)生改變，因此它只能進行單獨的測量或以一定的拉伸速度來測量。

北京科技大學曹建國課題組汪浩鵬等人提出了一種基于“多孔PDMS”和AgNWs/PDMS的新方法[7]，使用具有優(yōu)異的導電性與尺寸的納米銀線來制作傳感器，該多層“三明治”結構，如圖1所示，采用納米復合電極所制成的壓力傳感器陣列融合了現(xiàn)代先進的制造技術，如納米制造、氧離子體處理、蒸發(fā)電子束、3D打印技術與abaqus仿真技術。首先，用于制備基于納米復合材料的柔性導體電極系統(tǒng)；其次由柔性材料以及力敏可壓橡膠電阻制作而成的壓力傳感器陣列;開發(fā)了一種新形式即多層三明治夾層式柔性壓力傳感器陣列結構，同時加以薄金屬層用來制作成電子皮膚觸覺陣列傳感器；最后，對傳感器進行射線封裝、組裝和切割，使其具有良好的拓展性。一種新型使用銀納米線制作而成的復合膜是一種多層“三明治”夾層式結構電子皮膚觸覺傳感器，是一個完整的電子皮膚觸覺陣列傳感器并具有高柔特性的表現(xiàn)。這種電子皮膚傳感器不僅兼有高柔性與高彈性兩種特性，同時該傳感器也可以實現(xiàn)在高精度范圍0～180 kPa進行測量。該傳感器可以進行各種物體表面或人體關節(jié)活動的動態(tài)測量，其形成了在復雜三維環(huán)境中使用高度靈活的觸覺傳感器的基礎，為實現(xiàn)高度靈活的觸覺傳感器以及機器人和其他載體的智能化提供了一種新方法。

圖1 納米銀線制作而成的新型“三明治”結構電子皮膚觸覺傳感器及其柔彈性展示

德國比勒費爾德大學 Gereon 等通過可導電針織物來實現(xiàn)了良好的靈活性，并且將許多觸覺傳感單元插入單個傳感器隔膜中，它可以用來覆蓋各種形狀的物體[8]。

2.柔性觸覺傳感器的高靈敏度。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

S = δ(ΔC / C0 ) / δp

(1)

ΔC = C - C0

(2)

式中: C0為額定壓力下所產生的電容值或電阻值；p為所施加的作用力；C為施加壓力后的所產生的電容值或電阻值。

Zhenan Bao 課題組Tee和Benight團隊制作出一種靈敏度高、應用范圍廣的電子皮膚，其采用的原理是利用可自愈合的復合材料從而達到良好的導電性能。2014年，Pan 團隊開發(fā)了一種壓阻式觸覺傳感器，如圖2所示。通過改進傳統(tǒng)傳感器的形狀與性質，采用空心球微結構的壓阻式鋸齒薄板技術，使其可以最小檢測壓力可以達到小于1 Pa；在低壓區(qū)<30 Pa時具有-57.0～133.2 kPa-1的極高靈敏度； 在<100 Pa 的壓力范圍內仍然具有7.8～41.8 kPa-1的高靈敏度。由于該傳感器的響應時間約為50 ms，所以可實現(xiàn)微壓檢測。

國立首爾大學Joo團隊成功研發(fā)出一種以將銀納米線附著于PDMS形式的電容式柔性壓力觸覺傳感器，該傳感器可以提供具有多維結構的彈性電極[9]，該傳感器能檢測到的最小質量為0.04 g，與此相對應的受壓作用力為15 Pa。而對于此傳感器的靈敏度而言，在50～500 Pa的低壓區(qū)時靈敏度為3.78 kPa-1，在0.5～2.5 kPa的中壓區(qū)時靈敏度為0.80 kPa-1，在2.5～4.5 kPa的高壓區(qū)時靈敏度為0.35 kPa-1。臺灣大學Lai團隊使用由銀納米線在PDMS薄膜上固化形成相應的電極，從而制作出一種柔性電容式壓力控制傳感器，該傳感器在0.59 Pa～3. 0 kPa的低壓范圍內可以達到超高的靈敏度1.0×104～6.6 ×106 kPa-1。

(a)空心球微結構示意圖 (b)固化成型的鋸齒形結構 (c)傳感器的響應測試 圖2 基于自愈合導電壓阻復合材料和空心球微結構的壓阻式觸覺傳感器陣列

韓國先進科學技術研究所的KAIST Park研究小組的Morteza等人基于銀納米線和 PDMS 彈性體，通過第一層采用PDMS材料、第二層采用銀納米線材料、第三層采用PDMS材料的三明治結構，制作了一種可以方便快捷地檢測手指運動的電子皮膚彈性壓阻式應變觸覺傳感器[10]，允許手指通過PDMS銀納米線的夾層結構移動，PDMS在0°～120°的彎曲角度范圍內具有良好的靈敏度，彎曲約為0.634 rad-1,并且具有彈性好、性能穩(wěn)定和生產成本低等特點。

(二)柔性觸覺傳感器的分類

柔性觸覺傳感器種類較多，所以其分類方式也多樣化。根據(jù)其工作原理分類可以分為四種：壓阻式、壓電式、電容式和光電式等。根據(jù)其用途分類可以簡單分為柔性壓力傳感器、柔性應變傳感器、柔性濕度傳感器、柔性氣體傳感器、柔性溫度傳感器、柔性熱流量傳感器和柔性磁阻抗傳感器等[11]；現(xiàn)階段根據(jù)使用頻次情況，對于比較常用的包括壓阻式觸覺傳感器、壓電式觸覺傳感器和電容式觸覺傳感器三類傳感器的研究進展進行簡單介紹。

二、常用新型柔性觸覺傳感器

(一)壓阻式傳感器

壓電觸覺傳感器通常由壓阻材料制造而成，通過其產生介電效應用以工作。例如，金屬合金和力敏感導電橡膠。壓阻效應又稱壓敏電阻效應是指改變大部分壓敏材料的表面作用力，改變其對某些變化的電阻率。 當觸覺傳感器的表面受到作用力時，通過檢測電阻器陣列中的兩個相鄰或相對電極之間電阻值的變化量來改變相應地傳感器中的內部壓敏材料的電阻率。它可以獲得與被測量物體接觸表面之間壓力的大小，如圖3所示。

圖3 壓阻式觸覺傳感器的信號檢測原理

韓國延世大學的Eun-Soo Hwang團隊通過使用MEMS制造工藝加工PI和PDMS材料，成功的研究開發(fā)了一種靈活的觸覺傳感器，該傳感器是用于測量三維力的簡單捷徑，如圖4所示。該傳感器的優(yōu)點可以囊括為柔性極好、量程大。然而，仍然存在許多不足，例如觸覺傳感器的內部構造及其復雜會影響其工作過程、傳感器的靈敏度過低。；美國明尼蘇達大學的 Debao Zhou團隊成功開發(fā)研制出一種新型有夾層的三明治結構壓阻式觸覺傳感器，該傳感器是通過使用納米銀線與PDMS材料結合而產生的壓阻效應進行工作，如圖5所示。這種觸覺傳感器不僅易于處理并且具有很強的可靠性；中國科學院的葛運建團隊成功研發(fā)設計出一種新型結構的傳感器，其工作原理為導電橡膠產生的壓阻效應，該傳感器可以方便快捷地測量三維力，并通過仿真可以驗證出已經提出的柔性傳感器結構可以滿足一系列人工機器人進行智能操作的基本需求[12]。

圖4 Hwang 團隊研制的一種觸覺傳感器

圖5 Zhou 團隊研制的觸覺傳感器

總之，壓阻式柔性傳感器具有使用負載高、壽命長等優(yōu)點。但是仍然存在很多不足之處，它的遲滯溫漂略大，空間分辨率較低且線性度極差，這些問題都限制了它的應用范圍，使其適用范圍存在很大的局限性。

(二)壓電式傳感器

壓電式觸覺傳感器通常是由壓電材料制作而成，壓電材料所產生的壓電效應是指傳感器內部產生的極化效應。如果作用在中間表面上的外力方向是恒定的，則中間以外的兩個表面產生相反的正張力和負張力，柔性觸覺傳感器的壓電材料主要是聚氯乙烯(PVDF)，當觸覺傳感器在不同位置受到不同的力時，PVDF的載荷是不同的。該檢測電路能夠準確地確定在不同接觸元件位置產生的負載量究竟具體量，并且可以快捷的計算出所處的適當位置所受到外力作用的大小。

意大利理工學院的Lucia seminara利用FPCB表面的PVDF薄膜用來作為一個完整的保護層作用，在制作傳感器時采用橡膠材料來制作，可以使每個項目都可以形成壓電觸覺傳感器陣列，如圖6所示。它具有動態(tài)覆蓋和靈活性的優(yōu)點，但穩(wěn)定性較差[13]；日本佐賀大學的 Akira Kimoto 團隊制作出由PDVF材料制成的柔性觸覺傳感器，該傳感器可以簡潔快速的測量由PVDF和熱電效應產生的負載，測量了多層PVDF光伏薄膜的超聲容量和傳播時間，計算了壓力、溫度、振動頻率等參數(shù)；韓國延世大學的M.S.Kim等人使用可控膨脹過程，為了擴展PVDF膜將加工材料制作成半球形結構，并加工出一種4×4傳感器陣列，如圖7所示。該項目可以減少接觸元件之間的相互作用，提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。這種設計所制成的傳感器可以測量傳感器表面的作用力；燕山大學的陳衛(wèi)東團隊設計了一種基于聚氟乙烯(PVDF)的三維式仿生機器人觸覺傳感器，成功地建立了壓電式柔性傳感器的有限元計算模型，并通過分析計算驗證了設計方法的合理性。成功研制開發(fā)出基于三維機器人的觸覺傳感器，驗證了該方案的可行性[14]。

圖6 Lucia 團隊研制的觸覺傳感器

圖7 M.S. Kim 團隊研制的觸覺傳感器

由于壓電式傳感器無法區(qū)分敏感材料的壓電效應與熱電效應之間的差異。溫度變化快，流動循環(huán)復雜且不穩(wěn)定，但是具有很寬的動態(tài)范圍。

(三)電容式傳感器

電容式觸覺傳感器的結構大部分會使用多層膜結構，如圖8所示，此傳感器的內部分為三部分，上層和下層是正交導體的電極，中間層是由適當?shù)碾娊橘|將上層與下層分隔開。這種方法有助于在傳感器的敏感表面與被測物體接觸時，在上、下兩層膜之間的距離不同的情況下，在上、下兩個點形成一個強烈的凝聚集。這會導致其電容值發(fā)生變化，從而可以輕易地計算出表面上的外力，并且可以準確的獲得接觸表面的各種數(shù)據(jù)。

圖8 電容式觸覺傳感器結構示意圖

中國臺灣大學的 M.Y.Cheng團隊成功研發(fā)出一種新型的柔性傳感器，該傳感器采用浮動電極式原理，并且根據(jù)它的特性從而加工出一款形式為 8×8 的陣列[15]，如圖9所示，該傳感器不單單是柔韌性良好，而且該傳感器的結構非常簡單，靈敏度也很高。它可以在測試其他物體表面形狀時可以快速準確地檢測出結果。對于它來說有利也有弊，仍然存在一些不足之處，該傳感器的穩(wěn)定性較差。針對此缺點在隨后研究中，Cheng團隊等人就將傳感器中的四個觸元均封裝到一個區(qū)域，并且在區(qū)域的中間位置使用圓柱體材料使其相隔開，這種新的改進方法不僅可以用來測量正壓力，還可以用來測量剪切力；明尼蘇達大學的H.K.Le研究小組開發(fā)了一種電容式柔性傳感器，基本的PDMS材料可以用作結構材料達到為傳感器擴展空間的作用。如圖10所示，用該方法設計制成的觸覺傳感器不僅柔韌性高，而且具有空間分辨率高、加工方法簡單、靈敏度高等優(yōu)點。但此傳感器不乏也有存在著測量間隔較短的不足之處。在隨后的一項研究中，Lee和Peng的團隊集合了觸覺單元中的四種觸覺原件，并使用PDMS材料所制成的圓柱介體將它們相互分開。此外，傳感器能夠探測到被測物體的表面形狀[16]；美國田納西大學的艾米莉·普里特卡德(Emily Pritcard)使用光刻電極在聚酰亞胺薄膜中開發(fā)了一種多層觸覺傳感器，如圖11所示，該傳感器加工方法簡單、測量范圍廣，但是也包含很多的缺點如靈敏度低、彎曲過程中電極退化小等，香港市立大學 H.Z. Zhang 團隊基于ITO/PET材料，使用PDMS材料制備新型柔性應變傳感器，使其具有高靈敏度、加工方法簡單、柔軟性好、高透明度等優(yōu)點。

圖9 M.Y.Cheng 團隊研制的觸覺傳感器 圖10 Lee團隊研制的觸覺傳感器 圖11 Emily團隊研制的觸覺傳感器

綜上所述，電容器觸覺傳感器具有寬動態(tài)范圍，小溫度漂移，并且信號處理電路簡單，但易于受影響于噪聲和寄生電容，并且空間分辨率差，需要改善。

三、結語

柔性觸覺傳感器結構形式多樣且靈活，其可根據(jù)不同的測量條件要求來任意布置，能夠準確快速地測量出特定環(huán)境和特定信號，輕便快捷的解決了傳感器小型化、集成化、智能化發(fā)展的問題。近年來，新型柔性觸覺傳感器在電子皮膚、便攜式電子產品、生物醫(yī)學和航天航空等領域得到了廣泛的應用。近來雖然觸覺傳感技術有了一定的發(fā)展，但仍然存在一些不足問題，還有大部分研究成果均處于實驗室階段。如果要用科學技術的發(fā)展來要求柔性觸覺傳感器應用于各種特殊環(huán)境中，這就要嚴格要求柔性觸覺傳感器智能化與柔性化相結合。