??人類的感覺(jué)分為五類：視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，觸覺(jué)，味覺(jué)和氣味。在當(dāng)前的人機(jī)交互領(lǐng)域及消費(fèi)電子市場(chǎng)中，絕大多數(shù)研究與產(chǎn)品，都是針對(duì)視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)所研制開(kāi)發(fā)的。但隨著包括虛擬現(xiàn)實(shí)（VR），增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的高速發(fā)展，僅僅利用視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)已不能很好的傳遞足夠的信息。

觸覺(jué)反饋（Haptics）與人機(jī)界面（Human-Machine Interface）作為近年來(lái)興起的的一個(gè)熱門領(lǐng)域，正在吸引越來(lái)越多開(kāi)發(fā)者、研究者的興趣。例如，2015年上市的Apple Watch采用的Taptic Engine便是一種典型的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)。Taptic Engine可以有效提供觸覺(jué)反饋，極大提升用戶體驗(yàn)。然而包括Taptic Engine在內(nèi)的大部分現(xiàn)有的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)體積都較為龐大，且不具備感應(yīng)能力，這從一定程度上限制了人機(jī)交互系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。

可穿戴式電子設(shè)備要求器件具有良好的柔性，且要求體積小，重量輕?，F(xiàn)有的觸覺(jué)反饋裝置多采用線性馬達(dá)、偏心電機(jī)或音圈馬達(dá)作為其驅(qū)動(dòng)器。但由于這類驅(qū)動(dòng)器由于其體積龐大，且不可變形，觸覺(jué)反饋類的產(chǎn)品也處于較為初期的開(kāi)發(fā)階段。

近日，加州大學(xué)伯克利分校的鐘俊文博士和馬源博士在ACS nano期刊上，以共同第一作者的身份報(bào)道了一種可用于人機(jī)交互界面的柔性薄膜壓電駐極體（piezoelectret）驅(qū)動(dòng)器 （Actuator）/傳感器 （Sensor），林立偉教授為該工作的通訊作者。該柔性薄膜采用三明治壓電駐極體結(jié)構(gòu)，總厚度僅150um，其等效壓電常數(shù)d33高達(dá)4050 pC/N，這個(gè)數(shù)值高于許多傳統(tǒng)的壓電材料與壓電駐極體材料。

在薄膜陣列上，每一個(gè)工作單元都可以在傳感器和驅(qū)動(dòng)器的功能間隨意切換。此外，傳感器測(cè)得的人體信號(hào)可以用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的行為，實(shí)現(xiàn)了功能上的相互配合。這種設(shè)計(jì)不僅可以大幅度降低生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本，也可以為軟硬件開(kāi)發(fā)者帶來(lái)極大的便利。

概念圖：制動(dòng)器于傳感器可以集成于同一薄膜上，基于這種驅(qū)動(dòng)器/傳感器陣列，遠(yuǎn)程的觸覺(jué)交流通訊在將來(lái)成為可能。

驅(qū)動(dòng)器工作模式下，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械振動(dòng)可產(chǎn)生超過(guò)20mN的驅(qū)動(dòng)力。該驅(qū)動(dòng)力與常見(jiàn)手機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，可被人體皮膚輕易感知。

圖a為驅(qū)動(dòng)力測(cè)試方法簡(jiǎn)圖；圖b與圖c分別為文中驅(qū)動(dòng)器與一款常見(jiàn)手機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力；圖d-f為志愿者測(cè)量振動(dòng)強(qiáng)度及驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)頻率的結(jié)果；圖g為常見(jiàn)壓電材料與壓電駐極體材料的驅(qū)動(dòng)電壓與壓電常數(shù)，其中驅(qū)動(dòng)電壓越低，壓電常數(shù)越高，則越適合作為觸覺(jué)反饋驅(qū)動(dòng)器及傳感器。

傳感器模式下，單個(gè)傳感器可以檢出小至1.84Pa的壓強(qiáng)，并且在超過(guò)6000次循環(huán)加載中，輸出信號(hào)變化小于1%，該傳感器單元可以用于測(cè)量皮膚表面包括脈搏，肌肉運(yùn)動(dòng)等生理狀態(tài)。

圖a與圖b為傳感器開(kāi)路電壓、閉路電流與壓力、頻率的關(guān)系，圖c及圖d顯示傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，圖e-g為傳感器在一顆僅重75mg的蒲公英下的輸出信號(hào)。

文章的模擬分析進(jìn)一步表明，該驅(qū)動(dòng)器/傳感器陣列的優(yōu)勢(shì)在于較大的電荷儲(chǔ)存能力和較小的器件厚度。若能進(jìn)一步提高表面電荷密度，降低器件厚度，則可以開(kāi)發(fā)出性能更加卓越的傳感器與驅(qū)動(dòng)器。

圖a與圖b分別為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓與壓電駐極體電荷密度與薄膜厚度的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)： Zhong, J.; Ma, Y.; Song, Y.; Zhong, Q.; Chu, Y.; Karakurt, I.; Bogy, D. B.; Lin, L., A Flexible Piezoelectret Actuator/Sensor Patch for Mechanical Human–Machine Interfaces. ACS Nano 2019. DOI: 10.1021/acsnano.9b02437.

全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02437