觸覺傳感器與電子皮膚研究進展*

朱盛鼎，陳冬冬，雷靜桃

（上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444）

引 言

機構設計、傳感、控制、人工智能和人機交互技術是支撐機器人技術的5項關鍵技術。其中傳感技術是機器人感知環(huán)境的基礎[1–2]，它與控制技術和人機交互技術密切相關，因此機器人傳感技術是機器人技術中的重中之重。在傳感技術中，視覺傳感器是機器人最重要的傳感器，但力和觸覺感知也是機器人僅次于視覺的重要信息來源。從廣義上講，觸覺是指壓覺、滑動、冷熱、接觸等機械刺激的總稱。從狹義上講，它是指四肢與物體接觸面上的力感[3–4]。觸覺傳感器的功能是模仿生物的觸覺感受，當它與物體接觸時，可以檢測被檢測物體的一些物理性質(zhì)，如溫度、形狀、紋理、材質(zhì)等，并將檢測到的物理性質(zhì)進行反饋，以便機器人進行下一步操作。動物與人類每平方米皮膚上有成百上千個機械感受器來獲取觸覺信息，為了模擬這些機械感受器的功能，世界各國投入了大量人力、物力對觸覺傳感器進行研究。

機器人觸覺傳感器的研究始于20世紀70年代，隨著機器人技術的發(fā)展而發(fā)展[5]。科研人員對傳感器的結構設計、傳導機制等進行了大量研究。有基于電阻式、電容式、壓電式、熱釋電式、電磁式、磁電式、力敏式、光電式、超聲波、光纖等的觸覺測量方法?；趥鞲衅鹘Y構創(chuàng)新與傳感器融合技術，擴充了觸覺傳感器可以采集到的信息，將功能由原來只能采集法向力擴充為既可采集法向力又可采集切向力、溫度等。2000年以來，隨著新興材料的出現(xiàn)以及傳感器制備工藝的發(fā)展，觸覺傳感器開始向柔性化、生物相容性、高靈敏度等方向發(fā)展。電子皮膚成為研究熱點，它既融合了傳統(tǒng)觸覺傳感器感受外界機械刺激的能力，又具備與生物皮膚相似的柔性和可延展性，有的電子皮膚還具備自愈合、自清潔等功能。本文主要概述不同傳感機理的觸覺傳感器以及電子皮膚的研究進展。

1 機器人觸覺感知

機器人的觸覺傳感系統(tǒng)通過接觸來測量物體的物理特征，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的感知。機器人觸覺感知有許多應用場景：機器人在抓取物體時，可通過觸覺感知來控制抓取的力度大小，不會因為抓力過小使物體滑落，也不會因為抓力過大導致物體損壞；機器人還能根據(jù)觸覺信息，通過深度學習等識別算法來識別接觸物體的材質(zhì)及種類等。

文獻[6]給出了一個機器人的感知–控制–執(zhí)行架構系統(tǒng)，如圖1所示。圖1（a）為觸覺感知過程，被劃分為功能塊，傳感過程、感知和控制動作描述處于不同的層次。圖1（b）為這些功能塊對應的硬件結構塊。傳感過程將外部刺激（如壓力、振動和熱刺激）轉(zhuǎn)化為觸覺傳感器傳感元件的變化。使用嵌入式數(shù)據(jù)處理單元收集、調(diào)整和處理這些數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)礁叩母兄獙印８兄獙拥娜蝿帐菢嫿ㄒ粋€模型，用于感知交互對象的形狀和材料屬性等特性。在感知階段，觸覺還可能與視覺、聽覺等其他感知方式融合。最后，在執(zhí)行層，機器人根據(jù)融合數(shù)據(jù)執(zhí)行控制命令，并使用控制器完成動作。

圖1 機器人觸覺傳感系統(tǒng)的層次功能和結構框圖

2 觸覺傳感器分類

觸覺傳感器從原理上可分為壓阻式、電容式、壓電式、電感式和光學式，最常用的是壓阻式、電容式、壓電式，比較新穎的是光學式。

2.1 壓阻式觸覺傳感器

壓阻式觸覺傳感器是利用壓阻效應制備的傳感器。壓阻效應是指壓阻材料受到應力時，其內(nèi)部電阻率發(fā)生變化，采集電路通過將電阻的變化轉(zhuǎn)化為便于測量的電信號來檢測傳感器的受力大小。

2016年，意大利比薩大學的M. Bianchi等人提出了一種包括四層織物的壓阻柔性觸覺傳感器[7]。如圖2所示，通過織物層增加了觸覺傳感的柔性，并利用其間隔層獨特的蜂巢結構使傳感器不受法向力時與采集電路斷開連接，以減小傳感器的能量損耗和發(fā)熱量。2019年美國麻省理工大學的S. Sundaram等人利用數(shù)條導線與力敏薄膜層制成三明治結構的柔性觸覺傳感器[8]，直接用上下兩層導線的重疊部分作為電極層以增加傳感單元，并將傳感器集成在手套上采集觸覺信息。這種傳感器測量范圍廣，魯棒性高，但其導線所占空間大，會在一定程度上干擾手部動作。

圖2 壓阻柔性觸覺傳感器結構及實物圖

壓阻式觸覺傳感器普遍具有負載能力強、魯棒性好、電信號測量便捷等優(yōu)點，然而其遲滯性較大，不利于快速響應，并且其溫漂大，線性度也較差。

2.2 電容式觸覺傳感器

當電容式觸覺傳感器受到法向力時，其上下電極板的間距發(fā)生改變，導致傳感器的電容值發(fā)生變化；當傳感器受到切向力時，上下電極的重合面積發(fā)生變化，也會導致傳感器的電容值發(fā)生變化。因此電容式傳感器便于測量三維力的大小。

英、美、日等國家對電容式觸覺傳感器進行了深入研究。2009年，美國明尼蘇達大學的H. K. Lee等研制了一種可空間拓展的柔性電容觸覺傳感器。該傳感器柔性好，空間分辨率高，但其量程較小。H.K.Lee等對傳感器結構進行了改進，將原先傳感器的4個觸感單元合成1個觸覺單元，并用圓柱體結構將傳感單元隔開，這種設計可以滿足傳感器在測量法向力的同時也可測量切向力[9–11]。2015年，德國的E. Cagatay等改進了電容式觸覺傳感器的電極，用噴鍍碳納米管作為傳感器電極，并改進了電介質(zhì)材料，可滿足對微小壓力的測量[12]。2017年，B. G. Zhou等用3D打印技術與聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制作出傳感器的彈性介電層，其團隊研制的電容性觸覺傳感器具有較高靈敏度，可實時監(jiān)測人體微弱生理信號[13]。2020年，葡萄牙阿祖雷姆米尼奧大學的E. Sotgiu等提出了一種具有亞毫米空間分辨率的基于聚酰亞胺材料的電容式觸覺傳感器陣列[14]。聚酰亞胺材料被可壓縮PDMS層覆蓋，以調(diào)整正常壓力靈敏度和動態(tài)范圍，傳感器可檢測小金屬螺母的特征。2021年，Y. L. Liu等提出了一種可測量三維力的新型柔性電容式觸覺傳感器[15]，如圖3所示。該傳感器使用交叉桿PDMS壁和圓柱陣列作為復合結構介電層，每個傳感單元由一個2×2電容器陣列組成，其中電極對以交叉條圖案排列，并在傳感器上引入了頂部凸塊，以確保力均勻地施加在傳感器上。對傳感器施加力時，它會改變4個電容器的電容，從而區(qū)分不同方向的力。電容式觸覺傳感器的靈敏度與空間分辨率高，響應幅度寬，但其測量電路復雜，傳感器易受電氣干擾的影響。

圖3 電容傳感器結構圖

2.3 壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器是一種基于壓電效應的傳感器。壓電效應指當晶體受到法向力時，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，撤掉外力時，晶體又恢復到不帶電狀態(tài)。將壓電式觸覺傳感器連接到電荷放大器和測量電路上，采集其與所受外力相關的電信號，從而實現(xiàn)觸覺檢測。

2012年，意大利理工學院的L. Seminara等將聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜集成在柔性印制電路板表面，制成陣列式壓電式觸覺傳感器，12個觸覺傳感單元為一組構成正三角形的傳感器，便于貼附在手指上，如圖4所示[16]。該傳感器柔性好，測量范圍廣，但其穩(wěn)定性較差。2016年，俞平等提出一種可測量三維力的壓電式觸覺傳感器[17]，如圖5所示。4個小正方形上電極、PVDF層和一個大正方形下電極構成三明治結構的傳感器，并在上電極層上集成凸點。當凸點受到法向力或切向力時，4個壓電容器的電荷產(chǎn)生變化，通過測量電荷量的變化得到傳感器所受的法向力及切向力大小。2019年，韓國科學技術研究院智能與交互機器人中心的S. Kim等提出一種可應用于機器人手的靈活緊湊的壓電式觸摸傳感器陣列[18]。該傳感器由激光切割PVDF 制成，配備該傳感器的機械手可實時監(jiān)測接觸物體。

圖4 壓電式觸覺傳感陣列

圖5 可測量三維力的壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器是一種自發(fā)電和機電轉(zhuǎn)換傳感器，不需要外部電源，因此這種傳感器更便于攜帶，且其材料剛度高，線性度好，響應靈敏，但它易受噪聲干擾，其介電性會受溫度影響。

2.4 光學式觸覺傳感器

光學式觸覺傳感器將傳感器所受壓力映射為光信號強度、波長等性質(zhì)的變化，通過檢測光學信號來檢測傳感器所受壓力。光學式觸覺傳感器所依賴的傳感原理包括光強調(diào)制、光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）技術和干涉測量檢測，前兩種傳感原理已得到廣泛應用。

基于光強調(diào)制原理的觸覺傳感器通過檢測光纖中的光強或光功率的變化來檢測觸覺力的大小及位置。2012年，加拿大蒙特利爾康考迪亞大學的R. Ahmadi等提出了一種光束型光學式觸覺傳感器[19]，可用于微創(chuàng)機器人手術。該觸覺傳感器通過測量每根光纖中的功率損耗來測量接觸力的值與位置，但其尺寸較大，所需要的光功率也較大。2012年，倫敦國王學院的H. Xie等提出了一種陣列式光學式觸覺傳感器[20]，可測量鏡子的法向壓力，如圖6所示。當某傳感元件受到法向壓力時，接收光纖中的光強度增加，相機接收到的光信號像素也隨之增加，以此來檢測鏡子受到的法向壓力，但此種傳感器輕薄性較差。

圖6 陣列式光學式觸覺傳感器

基于FBG技術的光學式觸覺傳感器受力時會使光柵的間隔和折射率發(fā)生變化，導致輸出光的布拉格波長偏移，通過檢測波長的偏移來檢測傳感器的受力大小。由于不需要檢測光強信號，因此FBG觸覺傳感器不存在強度波動的問題，并且可以在一根光纖中插入多根光柵來增加傳感單元。2012年，德國卡爾斯魯厄理工學院的C. Ledermann等提出了一種基于FBG技術的光學式觸覺傳感器[21]。該傳感器能夠通過分析反射光譜來測量高濃度溶液中的外部應變，如圖7所示。2015年，上東大學的J. Song等研制了一種植入在柔性硅中的布拉格光柵觸覺傳感器陣列[22]。這種陣列具有良好的動態(tài)響應能力，但尺寸需進一步減小。

圖7 在拉伸或壓縮下反射光的FBG光譜

光學式觸覺傳感器的分辨率高，無電氣干擾的問題，但容易受到溫度影響，且光纖的微彎曲會導致光損失，分析觸覺信息的計算方法復雜。

3 電子皮膚

隨著新材料、新工藝的發(fā)展，研究人員不再滿足于利用觸覺傳感器采集力信息，也對模擬生物皮膚復雜屬性與功能（如皮膚自身的高柔性、自愈合、自清潔等屬性以及皮膚對溫度、濕度、硬度、粘度的感知能力[23–27]）產(chǎn)生了極大興趣，于是進一步對觸覺傳感器展開了仿生研究，即開展對電子皮膚的研究。

2005年，日本東京大學的T. Someya等對觸覺傳感器的功能進行了擴充，將壓力傳感器陣列與溫度傳感器陣列進行疊加，實現(xiàn)了對接觸表面法向力與溫度的同時測量[28]。2011年，黃英等設計了具有一定柔性的四電極對稱結構的三維力傳感器與插指結構的溫度傳感器，并將兩者凹凸交替排布，實現(xiàn)了三維力與溫度的同時測量[29]。2014年，韓國的J. Park等利用碳納米管和PDMS材料仿制生物皮膚表皮層與真皮層的互鎖結構，將兩者互相連鎖形成拱形結構，制備出了陣列電子皮膚[30–31]，如圖8所示。這種電子皮膚靈敏度高，可感知細微壓力，包括空氣的流動方向及劇烈程度等，進一步接近了生物皮膚的功能。2019年，Z. H.Wang等提出了一種可同時測量壓力與溫度的雙峰電子皮膚陣列[32]，將均勻的導電涂層與交錯的納米纖維結構集成在一起，不僅賦予了多模傳感器優(yōu)異的柔韌性，而且提供了豐富的接觸點和接觸面積，可顯著提高傳感器的靈敏度和工作范圍。2020年，M. M. Zhu等設計了一種基于同軸壓電纖維的電子皮膚。該電子皮膚具有較好的魯棒性，以自供電方式模擬人體體感系統(tǒng)[33]。同軸結構使得它在提高形狀適應性的同時保持高靈敏度，在80～230 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度最高可達(10.89±0.5)mV/kPa。

圖8 陣列電子皮膚

生物皮膚具備自愈合功能，將具有同樣功能的電子皮膚應用在機器人上可延長傳感器壽命，降低傳感器維修與更換成本。電子皮膚的自愈合功能既可通過傳感器材質(zhì)的自身特性（如材料之間的分子力）實現(xiàn)，也可通過修復劑等外部手段實現(xiàn)。2015年，哈佛大學的J. Cui等通過將修復液儲存在作為電子皮膚基材的凝膠基質(zhì)（由動態(tài)聚合物組成）中實現(xiàn)皮膚的自修復功能[34]，且修復液會根據(jù)電子皮膚材料的損壞程度進行自我調(diào)節(jié)。2017年，T. Wang等基于聚苯胺（PANI）、聚丙烯酸和植酸合成三元聚合物作為電子皮膚的基材[35]，能夠通過動態(tài)氫鍵與靜電的相互作用，在24 h內(nèi)恢復電子皮膚99%的電氣及機械性能。2021年，四川大學的S. Y. Yin等人制備了一種用作電子皮膚材料的聚丙烯酸（HAPAA）水凝膠[36]。這種材料不僅具有優(yōu)異的可拉伸性（拉伸率達6 000%）及自愈合能力（自修復效率達100%），還具有粘合性和透明性，適合作為電子皮膚的材料。

目前，電子皮膚的自修復功能已經(jīng)實現(xiàn)，只是具有自修復功能的電子皮膚的穩(wěn)定性及靈敏度還有待提高，而且其結構制作工藝復雜，成本較高。

4 結束語

觸覺傳感器在工業(yè)、智能醫(yī)療、教學和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality, VR）等領域具有廣闊的應用前景[37–39]。觸覺傳感器可逐漸模擬生物皮膚的復雜屬性與功能，如模擬皮膚的柔性、自愈合能力以及對細微力、溫度、濕度、物體表面紋理等的感知能力。對傳統(tǒng)觸覺傳感器的研究正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹄娮悠つw的研究。

電子皮膚觸覺傳感器對真實生物皮膚特性及功能的模擬離真實的生物皮膚特性及功能還具有較大差距，主要表現(xiàn)在：1）電子皮膚傳感器往往難以兼顧高柔性和高彈性；2）實現(xiàn)多功能需要多種傳感技術的融合，因而影響到電子皮膚傳感器的輕薄性；3）電子皮膚傳感器需要接入采集電路，復雜的接線會影響活動。因此，觸覺傳感器及電子皮膚大多還停留在實驗室階段。

目前大部分觸覺傳感器已具有一定的柔性，其保護層柔性好，但其敏感材料的柔性還有待提升。在高強度拉伸或彎曲的情況下，傳感器敏感材料容易斷裂，造成傳感器失效。觸覺傳感器的供電裝置及采集電路復雜的接線會影響機器人動作，未來有望利用太陽、超級電容、動能轉(zhuǎn)化裝置等技術實現(xiàn)傳感器的自供電，提高觸覺傳感的靈巧性。雖然觸覺傳感器及電子皮膚已多功能化（如可測量接觸表面的法向力與三維力，還可測量溫度等），但尚不具有生物皮膚的濕度、疼痛等感知功能。因此，電子皮膚觸覺傳感器的全柔性化、自供電和多功能化是未來的發(fā)展方向。