陳瑀珣，李 毅，苑恒軼

(吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130052)

肢體觸覺(jué)又稱觸感，是人體皮膚與物體接觸時(shí)產(chǎn)生的感覺(jué)，一般是物體硬度、溫度、濕度、粗糙度、振動(dòng)頻率、觸覺(jué)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(jué)系統(tǒng)可以覆蓋機(jī)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(wù)[1]。靈感來(lái)源于對(duì)天然荷葉的疏水性和壁虎強(qiáng)大的攀爬能力，利用仿生物的方法制備了許多具有獨(dú)特天然生物結(jié)構(gòu)的不規(guī)則微納結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用到柔性觸覺(jué)傳感器中，使得新型柔性觸覺(jué)傳感器具有良好的綜合性能[2]。

柔性觸覺(jué)傳感器被稱為“擁有仿生智能皮膚的機(jī)器人”以及“電子皮膚機(jī)器人”。由于為了可以實(shí)施一些特殊的任務(wù)所以此傳感器具有一些特殊的功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的傳感器相比，它不僅可以檢測(cè)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(dòng)頻率的功能。柔性觸覺(jué)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(jī)、臺(tái)式以及手提電腦、智能家用電器、各種寓教于樂(lè)設(shè)施等日常服務(wù)設(shè)施的普及和發(fā)展，其種類也隨之增多?！坝行胃锩笔且粋€(gè)智能場(chǎng)景，人們對(duì)柔性觸覺(jué)傳感器的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，例如，類似于人體皮膚的電子皮膚對(duì)人體健康數(shù)據(jù)的改變是由脈搏、心跳、體溫、肌肉群振動(dòng)等實(shí)時(shí)人體生理健康指標(biāo)引起的。因此，對(duì)柔性觸覺(jué)傳感器進(jìn)行研究不僅會(huì)促進(jìn)機(jī)器人自身的控制系統(tǒng)的發(fā)展，也會(huì)促進(jìn)商業(yè)娛樂(lè)、智能醫(yī)學(xué)、軍事保密和航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展[3]。

一、常用柔性觸覺(jué)傳感器的特點(diǎn)與分類

(一)柔性觸覺(jué)傳感器的特點(diǎn)

柔性觸覺(jué)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(yīng)速度快、延展性高甚至可以自由彎曲折疊。結(jié)構(gòu)形式具有可選擇性，它可以根據(jù)不同要求的各種測(cè)量條件而進(jìn)行變換，可以輕松便捷的對(duì)較復(fù)雜的被測(cè)目標(biāo)快速檢測(cè)[4]。除了剛性觸覺(jué)傳感器的特點(diǎn)外，還具有柔軟可彎曲、重量輕、強(qiáng)大的可擴(kuò)展性、高分辨率等特點(diǎn)。 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(yīng)時(shí)間等問(wèn)題。柔性觸覺(jué)傳感器由于其具有便于攜帶或覆蓋在機(jī)器人身體的不規(guī)則非平面表面的特點(diǎn)，并且可以清楚感知到周圍環(huán)境里微弱信號(hào)的變化。新型柔性觸覺(jué)傳感器廣泛應(yīng)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(cè)等領(lǐng)域[5]。

1.柔性觸覺(jué)傳感器兼顧高柔性、高彈性及延展性。美國(guó)斯坦福大學(xué) Zhenan Bao 的研究小組 Lipomi團(tuán)隊(duì)將碳納米管固定在PDMS基底板上，以此提供傳感器容量觸覺(jué)的一致性和良好的彈性以及透明度[6]。因?yàn)镻DMS透明度高且彈性極好，因此其牽引比可達(dá)到100%。如前所述，雙碳納米管與彈性材料結(jié)合，為了保障整體彈性結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)確保微絲的膨脹性能、導(dǎo)電性和彈性材料的伸長(zhǎng)率。該陣列傳感器可以檢測(cè)正負(fù)壓力和拉伸強(qiáng)度，但由于總體的表達(dá)和伸長(zhǎng)率會(huì)使冷凝信號(hào)發(fā)生改變，因此它只能進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)量或以一定的拉伸速度來(lái)測(cè)量。

北京科技大學(xué)曹建國(guó)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(dǎo)電性與尺寸的納米銀線來(lái)制作傳感器，該多層“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖1所示，采用納米復(fù)合電極所制成的壓力傳感器陣列融合了現(xiàn)代先進(jìn)的制造技術(shù)，如納米制造、氧離子體處理、蒸發(fā)電子束、3D打印技術(shù)與abaqus仿真技術(shù)。首先，用于制備基于納米復(fù)合材料的柔性導(dǎo)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(kāi)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(jié)構(gòu)，同時(shí)加以薄金屬層用來(lái)制作成電子皮膚觸覺(jué)陣列傳感器；最后，對(duì)傳感器進(jìn)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(fù)合膜是一種多層“三明治”夾層式結(jié)構(gòu)電子皮膚觸覺(jué)傳感器，是一個(gè)完整的電子皮膚觸覺(jué)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(shí)該傳感器也可以實(shí)現(xiàn)在高精度范圍0～180 kPa進(jìn)行測(cè)量。該傳感器可以進(jìn)行各種物體表面或人體關(guān)節(jié)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，其形成了在復(fù)雜三維環(huán)境中使用高度靈活的觸覺(jué)傳感器的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)高度靈活的觸覺(jué)傳感器以及機(jī)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(jié)構(gòu)電子皮膚觸覺(jué)傳感器及其柔彈性展示

德國(guó)比勒費(fèi)爾德大學(xué) Gereon 等通過(guò)可導(dǎo)電針織物來(lái)實(shí)現(xiàn)了良好的靈活性，并且將許多觸覺(jué)傳感單元插入單個(gè)傳感器隔膜中，它可以用來(lái)覆蓋各種形狀的物體[8]。

2.柔性觸覺(jué)傳感器的高靈敏度。靈敏度 S 是電子皮膚觸覺(jué)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(chǎn)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(chǎn)生的電容值或電阻值。

Zhenan Bao 課題組Tee和Benight團(tuán)隊(duì)制作出一種靈敏度高、應(yīng)用范圍廣的電子皮膚，其采用的原理是利用可自愈合的復(fù)合材料從而達(dá)到良好的導(dǎo)電性能。2014年，Pan 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種壓阻式觸覺(jué)傳感器，如圖2所示。通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的形狀與性質(zhì)，采用空心球微結(jié)構(gòu)的壓阻式鋸齒薄板技術(shù)，使其可以最小檢測(cè)壓力可以達(dá)到小于1 Pa；在低壓區(qū)<30 Pa時(shí)具有-57.0～133.2 kPa-1的極高靈敏度； 在<100 Pa 的壓力范圍內(nèi)仍然具有7.8～41.8 kPa-1的高靈敏度。由于該傳感器的響應(yīng)時(shí)間約為50 ms，所以可實(shí)現(xiàn)微壓檢測(cè)。

國(guó)立首爾大學(xué)Joo團(tuán)隊(duì)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(jué)傳感器，該傳感器可以提供具有多維結(jié)構(gòu)的彈性電極[9]，該傳感器能檢測(cè)到的最小質(zhì)量為0.04 g，與此相對(duì)應(yīng)的受壓作用力為15 Pa。而對(duì)于此傳感器的靈敏度而言，在50～500 Pa的低壓區(qū)時(shí)靈敏度為3.78 kPa-1，在0.5～2.5 kPa的中壓區(qū)時(shí)靈敏度為0.80 kPa-1，在2.5～4.5 kPa的高壓區(qū)時(shí)靈敏度為0.35 kPa-1。臺(tái)灣大學(xué)Lai團(tuán)隊(duì)使用由銀納米線在PDMS薄膜上固化形成相應(yīng)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(nèi)可以達(dá)到超高的靈敏度1.0×104～6.6 ×106 kPa-1。

(a)空心球微結(jié)構(gòu)示意圖 (b)固化成型的鋸齒形結(jié)構(gòu) (c)傳感器的響應(yīng)測(cè)試 圖2 基于自愈合導(dǎo)電壓阻復(fù)合材料和空心球微結(jié)構(gòu)的壓阻式觸覺(jué)傳感器陣列

韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)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(guò)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(jié)構(gòu)，制作了一種可以方便快捷地檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)的電子皮膚彈性壓阻式應(yīng)變觸覺(jué)傳感器[10]，允許手指通過(guò)PDMS銀納米線的夾層結(jié)構(gòu)移動(dòng)，PDMS在0°～120°的彎曲角度范圍內(nèi)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(chǎn)成本低等特點(diǎn)。

(二)柔性觸覺(jué)傳感器的分類

柔性觸覺(jué)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(jiǎn)單分為柔性壓力傳感器、柔性應(yīng)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(duì)于比較常用的包括壓阻式觸覺(jué)傳感器、壓電式觸覺(jué)傳感器和電容式觸覺(jué)傳感器三類傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

二、常用新型柔性觸覺(jué)傳感器

(一)壓阻式傳感器

壓電觸覺(jué)傳感器通常由壓阻材料制造而成，通過(guò)其產(chǎn)生介電效應(yīng)用以工作。例如，金屬合金和力敏感導(dǎo)電橡膠。壓阻效應(yīng)又稱壓敏電阻效應(yīng)是指改變大部分壓敏材料的表面作用力，改變其對(duì)某些變化的電阻率。 當(dāng)觸覺(jué)傳感器的表面受到作用力時(shí)，通過(guò)檢測(cè)電阻器陣列中的兩個(gè)相鄰或相對(duì)電極之間電阻值的變化量來(lái)改變相應(yīng)地傳感器中的內(nèi)部壓敏材料的電阻率。它可以獲得與被測(cè)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(jué)傳感器的信號(hào)檢測(cè)原理

韓國(guó)延世大學(xué)的Eun-Soo Hwang團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用MEMS制造工藝加工PI和PDMS材料，成功的研究開(kāi)發(fā)了一種靈活的觸覺(jué)傳感器，該傳感器是用于測(cè)量三維力的簡(jiǎn)單捷徑，如圖4所示。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(jué)傳感器的內(nèi)部構(gòu)造及其復(fù)雜會(huì)影響其工作過(guò)程、傳感器的靈敏度過(guò)低。；美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的 Debao Zhou團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)研制出一種新型有夾層的三明治結(jié)構(gòu)壓阻式觸覺(jué)傳感器，該傳感器是通過(guò)使用納米銀線與PDMS材料結(jié)合而產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)進(jìn)行工作，如圖5所示。這種觸覺(jué)傳感器不僅易于處理并且具有很強(qiáng)的可靠性；中國(guó)科學(xué)院的葛運(yùn)建團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的傳感器，其工作原理為導(dǎo)電橡膠產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)，該傳感器可以方便快捷地測(cè)量三維力，并通過(guò)仿真可以驗(yàn)證出已經(jīng)提出的柔性傳感器結(jié)構(gòu)可以滿足一系列人工機(jī)器人進(jìn)行智能操作的基本需求[12]。

圖4 Hwang 團(tuán)隊(duì)研制的一種觸覺(jué)傳感器

圖5 Zhou 團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器

總之，壓阻式柔性傳感器具有使用負(fù)載高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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(wèn)題都限制了它的應(yīng)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(jué)傳感器通常是由壓電材料制作而成，壓電材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)是指?jìng)鞲衅鲀?nèi)部產(chǎn)生的極化效應(yīng)。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(gè)表面產(chǎn)生相反的正張力和負(fù)張力，柔性觸覺(jué)傳感器的壓電材料主要是聚氯乙烯(PVDF)，當(dāng)觸覺(jué)傳感器在不同位置受到不同的力時(shí)，PVDF的載荷是不同的。該檢測(cè)電路能夠準(zhǔn)確地確定在不同接觸元件位置產(chǎn)生的負(fù)載量究竟具體量，并且可以快捷的計(jì)算出所處的適當(dāng)位置所受到外力作用的大小。

意大利理工學(xué)院的Lucia seminara利用FPCB表面的PVDF薄膜用來(lái)作為一個(gè)完整的保護(hù)層作用，在制作傳感器時(shí)采用橡膠材料來(lái)制作，可以使每個(gè)項(xiàng)目都可以形成壓電觸覺(jué)傳感器陣列，如圖6所示。它具有動(dòng)態(tài)覆蓋和靈活性的優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn)定性較差[13]；日本佐賀大學(xué)的 Akira Kimoto 團(tuán)隊(duì)制作出由PDVF材料制成的柔性觸覺(jué)傳感器，該傳感器可以簡(jiǎn)潔快速的測(cè)量由PVDF和熱電效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)載，測(cè)量了多層PVDF光伏薄膜的超聲容量和傳播時(shí)間，計(jì)算了壓力、溫度、振動(dòng)頻率等參數(shù)；韓國(guó)延世大學(xué)的M.S.Kim等人使用可控膨脹過(guò)程，為了擴(kuò)展PVDF膜將加工材料制作成半球形結(jié)構(gòu)，并加工出一種4×4傳感器陣列，如圖7所示。該項(xiàng)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(shè)計(jì)所制成的傳感器可以測(cè)量傳感器表面的作用力；燕山大學(xué)的陳衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于聚氟乙烯(PVDF)的三維式仿生機(jī)器人觸覺(jué)傳感器，成功地建立了壓電式柔性傳感器的有限元計(jì)算模型，并通過(guò)分析計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性。成功研制開(kāi)發(fā)出基于三維機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器，驗(yàn)證了該方案的可行性[14]。

圖6 Lucia 團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器

圖7 M.S. Kim 團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器

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

(三)電容式傳感器

電容式觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)大部分會(huì)使用多層膜結(jié)構(gòu)，如圖8所示，此傳感器的內(nèi)部分為三部分，上層和下層是正交導(dǎo)體的電極，中間層是由適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)將上層與下層分隔開(kāi)。這種方法有助于在傳感器的敏感表面與被測(cè)物體接觸時(shí)，在上、下兩層膜之間的距離不同的情況下，在上、下兩個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)強(qiáng)烈的凝聚集。這會(huì)導(dǎo)致其電容值發(fā)生變化，從而可以輕易地計(jì)算出表面上的外力，并且可以準(zhǔn)確的獲得接觸表面的各種數(shù)據(jù)。

圖8 電容式觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)的 M.Y.Cheng團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種新型的柔性傳感器，該傳感器采用浮動(dòng)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(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，靈敏度也很高。它可以在測(cè)試其他物體表面形狀時(shí)可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出結(jié)果。對(duì)于它來(lái)說(shuō)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(duì)此缺點(diǎn)在隨后研究中，Cheng團(tuán)隊(duì)等人就將傳感器中的四個(gè)觸元均封裝到一個(gè)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(kāi)，這種新的改進(jìn)方法不僅可以用來(lái)測(cè)量正壓力，還可以用來(lái)測(cè)量剪切力；明尼蘇達(dá)大學(xué)的H.K.Le研究小組開(kāi)發(fā)了一種電容式柔性傳感器，基本的PDMS材料可以用作結(jié)構(gòu)材料達(dá)到為傳感器擴(kuò)展空間的作用。如圖10所示，用該方法設(shè)計(jì)制成的觸覺(jué)傳感器不僅柔韌性高，而且具有空間分辨率高、加工方法簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但此傳感器不乏也有存在著測(cè)量間隔較短的不足之處。在隨后的一項(xiàng)研究中，Lee和Peng的團(tuán)隊(duì)集合了觸覺(jué)單元中的四種觸覺(jué)原件，并使用PDMS材料所制成的圓柱介體將它們相互分開(kāi)。此外，傳感器能夠探測(cè)到被測(cè)物體的表面形狀[16]；美國(guó)田納西大學(xué)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(kāi)發(fā)了一種多層觸覺(jué)傳感器，如圖11所示，該傳感器加工方法簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣，但是也包含很多的缺點(diǎn)如靈敏度低、彎曲過(guò)程中電極退化小等，香港市立大學(xué) H.Z. Zhang 團(tuán)隊(duì)基于ITO/PET材料，使用PDMS材料制備新型柔性應(yīng)變傳感器，使其具有高靈敏度、加工方法簡(jiǎn)單、柔軟性好、高透明度等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 M.Y.Cheng 團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器 圖10 Lee團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器 圖11 Emily團(tuán)隊(duì)研制的觸覺(jué)傳感器

綜上所述，電容器觸覺(jué)傳感器具有寬動(dòng)態(tài)范圍，小溫度漂移，并且信號(hào)處理電路簡(jiǎn)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(jié)語(yǔ)

柔性觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)形式多樣且靈活，其可根據(jù)不同的測(cè)量條件要求來(lái)任意布置，能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)量出特定環(huán)境和特定信號(hào)，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(wèn)題。近年來(lái)，新型柔性觸覺(jué)傳感器在電子皮膚、便攜式電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)和航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近來(lái)雖然觸覺(jué)傳感技術(shù)有了一定的發(fā)展，但仍然存在一些不足問(wèn)題，還有大部分研究成果均處于實(shí)驗(yàn)室階段。如果要用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展來(lái)要求柔性觸覺(jué)傳感器應(yīng)用于各種特殊環(huán)境中，這就要嚴(yán)格要求柔性觸覺(jué)傳感器智能化與柔性化相結(jié)合。