??人類的感覺分為五類：視覺，聽覺，觸覺，味覺和氣味。在當前的人機交互領域及消費電子市場中，絕大多數研究與產品，都是針對視覺與聽覺所研制開發(fā)的。但隨著包括虛擬現(xiàn)實（VR），增強現(xiàn)實（AR）技術的高速發(fā)展，僅僅利用視覺與聽覺已不能很好的傳遞足夠的信息。

觸覺反饋（Haptics）與人機界面（Human-Machine Interface）作為近年來興起的的一個熱門領域，正在吸引越來越多開發(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反饋系統(tǒng)。Taptic Engine可以有效提供觸覺反饋，極大提升用戶體驗。然而包括Taptic Engine在內的大部分現(xiàn)有的觸覺反饋系統(tǒng)體積都較為龐大，且不具備感應能力，這從一定程度上限制了人機交互系統(tǒng)的產品設計和軟件開發(fā)。

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

近日，加州大學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道了一種可用于人機交互界面的柔性薄膜壓電駐極體（piezoelectret）驅動器 （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構，總厚度僅150um，其等效壓電常數d33高達4050 pC/N，這個數值高于許多傳統(tǒng)的壓電材料與壓電駐極體材料。

在薄膜陣列上，每一個工作單元都可以在傳感器和驅動器的功能間隨意切換。此外，傳感器測得的人體信號可以用來控制驅動器的行為，實現(xiàn)了功能上的相互配合。這種設計不僅可以大幅度降低生產難度和生產成本，也可以為軟硬件開發(fā)者帶來極大的便利。

概念圖：制動器于傳感器可以集成于同一薄膜上，基于這種驅動器/傳感器陣列，遠程的觸覺交流通訊在將來成為可能。

驅動器工作模式下，單個驅動器的機械振動可產生超過20mN的驅動力。該驅動力與常見手機所產生的驅動力，可被人體皮膚輕易感知。

圖a為驅動力測試方法簡圖；圖b與圖c分別為文中驅動器與一款常見手機振動產生的驅動力；圖d-f為志愿者測量振動強度及驅動電壓，驅動頻率的結果；圖g為常見壓電材料與壓電駐極體材料的驅動電壓與壓電常數，其中驅動電壓越低，壓電常數越高，則越適合作為觸覺反饋驅動器及傳感器。

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

圖a與圖b為傳感器開路電壓、閉路電流與壓力、頻率的關系，圖c及圖d顯示傳感器在長時間工作狀態(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。

文章的模擬分析進一步表明，該驅動器/傳感器陣列的優(yōu)勢在于較大的電荷儲存能力和較小的器件厚度。若能進一步提高表面電荷密度，降低器件厚度，則可以開發(fā)出性能更加卓越的傳感器與驅動器。

圖a與圖b分別為驅動器驅動電壓與壓電駐極體電荷密度與薄膜厚度的關系。

參考文獻： 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