在過去的幾十年里，觸覺傳感器由于其在可穿戴醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、假肢、人機(jī)界面和增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)中具有許多令人興奮的潛在應(yīng)用而引起了極大的關(guān)注。其中，大型陣列式壓力傳感器因可以像人體皮膚一樣進(jìn)行時(shí)空壓力分析而在實(shí)現(xiàn)人工觸覺方面扮演尤為重要的角色。

然而，壓力傳感陣列走向?qū)嶋H應(yīng)用的進(jìn)程目前仍然受到幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)的阻礙。首先，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，通常需要壓力傳感器陣列能夠在包括從柔軟的生物組織到彈性機(jī)器人皮膚等在內(nèi)的任何表面上正常工作，同時(shí)保障空間精度。然而，當(dāng)對(duì)柔性材料施加壓力時(shí)，承壓區(qū)域周圍的柔性材料不可避免地發(fā)生變形，從而使得未承壓區(qū)域的傳感器變形，進(jìn)而在信號(hào)輸出中產(chǎn)生不必要的噪聲和串?dāng)_。這一問題可以通過在觸覺像素（taxel）之間插入額外層以隔離觸覺像素來緩解，然而，額外隔離層會(huì)擾亂壓力下傳感層的變形，從而降低了器件的壓力靈敏度。此外，壓力傳感器陣列還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其他物理刺激和壓力的機(jī)械解耦，換句話說，即它對(duì)壓力以外的其他機(jī)械刺激（例如彎曲）不敏感，以便在動(dòng)態(tài)移動(dòng)的表面上可靠地獲取時(shí)空信息，而不影響壓力傳感器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國科學(xué)技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）聯(lián)合韓國電子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute）和淑明女子大學(xué)（Sookmyung Women’s University）共同提出了基于接觸電阻的壓力傳感器陣列技術(shù)，該技術(shù)基于微金字塔形和梯形機(jī)械屏障陣列的多尺度微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在不同模量表面和動(dòng)態(tài)彎曲表面上實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)空壓力分析，并且產(chǎn)生的機(jī)械串?dāng)_可以忽略不計(jì)。該研究以“On-skin and tele-haptic application of mechanically decoupled taxel array on dynamically moving and soft surfaces”為題，發(fā)表于npj flexible electronics期刊。

如圖1所示為置于人體手部和柔性機(jī)械手上的壓力傳感器陣列的總體示意圖。如圖1b所示，通過對(duì)機(jī)械屏障陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其檢測(cè)限（LoD = 190 Pa）和彎曲靈敏度（不敏感彎曲半徑= 2.7 mm）同時(shí)最小化。將優(yōu)化后的多尺度微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于12 × 12大面積壓力傳感陣列，在柔性表面上可實(shí)現(xiàn)無失真信號(hào)的時(shí)空壓力映射。

圖1 機(jī)械解耦的壓力傳感器（MDPS）總體示意圖

該基于接觸電阻的壓力傳感器，即MDPS的工作機(jī)理如圖2a所示。將涂有聚吡咯的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結(jié)構(gòu)與叉指電極接觸，以隨壓力改變接觸電阻（或等效電導(dǎo)）。在機(jī)械解耦的壓力傳感器設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械屏障陣列以多孔梯形棱柱（TP）的形式周期性地放置在叉指電極的外圍，而多孔金字塔形微結(jié)構(gòu)直接位于電極的頂部。其中，梯形棱柱高度為70 μm ~140 μm，金字塔形微結(jié)構(gòu)高度固定為70 μm，孔隙直徑為20 μm。采用傳統(tǒng)的金字塔形微結(jié)構(gòu)壓力傳感器（即沒有外圍梯形棱柱設(shè)計(jì)和孔隙）作為參考?jí)毫鞲衅?。在一個(gè)不彎曲的平面上，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)和電極之間的物理接觸最小，使得參考?jí)毫鞲衅鳎ㄉ希┖蜋C(jī)械解耦的壓力傳感器（下）都有相當(dāng)高的接觸電阻（Rc）。然而，當(dāng)參考傳感器彎曲時(shí)，橫向應(yīng)變導(dǎo)致金字塔形微結(jié)構(gòu)與電極接觸，因此即使沒有施加壓力，也會(huì)使得接觸電阻產(chǎn)生不必要的下降。因此，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考傳感器可以采集受接觸壓力和彎曲影響的畸變映射信號(hào)。而對(duì)于機(jī)械解耦的壓力傳感器而言，比金字塔形微結(jié)構(gòu)高的梯形棱柱陣列可以防止金字塔形微結(jié)構(gòu)與彎曲電極之間的接觸，從而使其在柔性和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)表面上實(shí)現(xiàn)低失真壓力映射，同時(shí)具有彎曲不敏感性。

圖2 優(yōu)化彎曲不敏感性和檢測(cè)限后的機(jī)械解耦的壓力傳感器性能表征

此外，該傳感器陣列還被證實(shí)能夠在柔性表面上檢測(cè)壓力而不出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_，并能承受包括滾動(dòng)和波動(dòng)在內(nèi)的各種類型的變形。為了驗(yàn)證傳感器陣列的實(shí)際可行性，研究人員將傳感器安裝在手指和前臂上，分別用于盲文閱讀和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的字母識(shí)別。同時(shí)，研究人員還演示了一種在軟體機(jī)器人和用戶之間傳輸觸覺的遠(yuǎn)程觸覺系統(tǒng)，并證明了由于傳感器在柔性彎曲表面上的良好功能性，準(zhǔn)確的觸覺信號(hào)傳輸是可行的。

圖3 機(jī)械解耦的壓力傳感器在皮膚上的應(yīng)用

圖4 遠(yuǎn)程觸覺系統(tǒng)演示

綜上所述，在這項(xiàng)工作中，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于微結(jié)構(gòu)接觸電阻的壓力傳感器，該傳感器實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)限（觸覺傳感的關(guān)鍵性能指標(biāo)）和彎曲不敏感性之間的平衡。所展示的傳感器陣列的特性以及相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例將為壓力傳感陣列在人機(jī)界面、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、可穿戴電子設(shè)備和軟體機(jī)器人等各種應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展鋪平道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00233-0

審核編輯 ：李倩