广西大学：可穿戴的摩擦电触觉传感器

颗粒在线讯：生物质材料作为一种可持续资源，特别是悄然兴起的生物质摩擦电材料，在环境、能源、生物医药以及航空航天等许多领域扮演了至关重要的角色。其中，生物质基可穿戴触觉传感器由于可降解性，生物相容性等优点已被广泛关注。相比传统传感器，具有可见光反馈的可视化触觉传感器可直接、直观地识别触摸并做出相应反馈，操作简单、易于决策且可实现机器与用户之间的动态交互，为电子皮肤和人工智能等领域的发展提供了新契机。然而，传感信号的获取、传输与表达仍然面临很大挑战，可视化触觉传感器的供能方式，设备的便携性以及生物兼容性等问题，仍然需要从材料、电气、人工智能等多个领域共同突破。

在此，王双飞院士团队聂双喜教授课题组报道了一种新型的可视化触觉传感器，实现了无需外接电源的自供电触觉反馈。并将可视化元件进行有源矩阵集成，构建了可以实现手部应力强度反馈以及抓取状态感知的可视化、可穿戴触觉传感器。相关论文以题为“Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception”发表在Advanced Materials。

图1. 用于可穿戴可视化触觉传感器的X-TENG。（a）多通道集成触觉可视化传感的自供电传感器的制备示意图。（b）单元结构X-TENG的结构细节放大示意图。（c）CS表面粗糙形貌示意图。（d）多层复合膜结构的摩擦起电机理示意图。（e）可穿戴可视化触觉传感器在全掌感触前后的光学图像。

图2 X-TENG工作机制及性能。（a）X-TENG的工作机制示意图。（b-c）CS与粗糙化CS的表面形貌图。（d）为X-TENG电性能有限元模拟图。（e）为X-TENG一次工作过程的开路电压和转移电荷量。（f）为CS、粗糙化CS和X-TENG的电性能对比。（g-i）对比了CS、粗糙化CS和X-TENG的开路电压、短路电流和功率密度。（j）X-TENG与其他先进文献的功率密度比较图。

图3. X-TENG的传感响应性能。（a）不同尺寸X-TENG的开路电压和转移电荷量对比数据图。（b）按压作用下X-TENG边角与中心摩擦电信号示意图。（c）为X-TENG应力传感的灵敏度。（d）为X-TENG压力传感的响应时间。（e）为X-TENG动态压力与电信号曲线图。（f）为X-TENG在不同应力下的传感电信号曲线。（g）为X-TENG在不同频率下的传感电信号曲线。（h）为X-TENG在超过100000次的循环稳定性测试。

图4. 有源矩阵集成X-TENG可视化传感的性能优化. （a）为X-TENG在手指触碰下驱动LED的光学图像。（b）为X-TENG在不同负载下的输出电压与输出电流。（c）为LED在不同输入电压和电流下的亮度趋势图。（d）X-TENG串联LED光源在不同应力下的亮度趋势图。（e）X-TENG串联光源在不同应力下产生的电信号和光亮度曲线图。（f）X-TENG通过5×5有源矩阵集成作为触觉传感器的光学图像。（g）不同触碰点位触觉传感器的光映射分布图与电信号分布图。

图5. 手掌有源矩阵集成X-TENG可视化传感的应用。（a）多点位阵列触觉传感器的集成链接示意图。（b）集成X-TENG系统不同抓握状态下的光学图像和对应的可视化阵列光源图像。（c）在宇航员和未来机器人手掌上集成可视化触觉系统的示意图。（d）不同手势状态下触觉阵列序列的相关性图。（e）通过远程的可视化传感可实现在黑暗条件下的手语识别示意图。

此研究通过摩擦电材料的表面形貌构造及折纸工艺实现了可穿戴自供电触觉系统前所未有的输出功率密度（2.1 W/m2），同时这种X-TENG具有出色的应力灵敏度（2.93 kPa-1）和电信号相应时间（51 ms）。采用X-TENG构建的可视化传感器在人类触觉压力范围内（100 kPa）轻松将触摸刺激转换为视觉可见的光信号（9.8 cd/m2），实现了手掌抓取状态和手势信息传输的远程交互方式。X-TENG在视觉传感方面的效率和可扩展性已经得到证明，自供电远程可交互视觉触觉传感器将为人机交互方法提供潜力。

来源：材料科学与工程