顆粒在線訊：生物質(zhì)材料作為一種可持續(xù)資源，特別是悄然興起的生物質(zhì)摩擦電材料，在環(huán)境、能源、生物醫(yī)藥以及航空航天等許多領(lǐng)域扮演了至關(guān)重要的角色。其中，生物質(zhì)基可穿戴觸覺傳感器由于可降解性，生物相容性等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)傳感器，具有可見光反饋的可視化觸覺傳感器可直接、直觀地識(shí)別觸摸并做出相應(yīng)反饋，操作簡(jiǎn)單、易于決策且可實(shí)現(xiàn)機(jī)器與用戶之間的動(dòng)態(tài)交互，為電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展提供了新契機(jī)。然而，傳感信號(hào)的獲取、傳輸與表達(dá)仍然面臨很大挑戰(zhàn)，可視化觸覺傳感器的供能方式，設(shè)備的便攜性以及生物兼容性等問題，仍然需要從材料、電氣、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域共同突破。

在此，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)聶雙喜教授課題組報(bào)道了一種新型的可視化觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了無需外接電源的自供電觸覺反饋。并將可視化元件進(jìn)行有源矩陣集成，構(gòu)建了可以實(shí)現(xiàn)手部應(yīng)力強(qiáng)度反饋以及抓取狀態(tài)感知的可視化、可穿戴觸覺傳感器。相關(guān)論文以題為“Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception”發(fā)表在Advanced Materials。

圖1. 用于可穿戴可視化觸覺傳感器的X-TENG。（a）多通道集成觸覺可視化傳感的自供電傳感器的制備示意圖。（b）單元結(jié)構(gòu)X-TENG的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)放大示意圖。（c）CS表面粗糙形貌示意圖。（d）多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的摩擦起電機(jī)理示意圖。（e）可穿戴可視化觸覺傳感器在全掌感觸前后的光學(xué)圖像。

圖2 X-TENG工作機(jī)制及性能。（a）X-TENG的工作機(jī)制示意圖。（b-c）CS與粗糙化CS的表面形貌圖。（d）為X-TENG電性能有限元模擬圖。（e）為X-TENG一次工作過程的開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量。（f）為CS、粗糙化CS和X-TENG的電性能對(duì)比。（g-i）對(duì)比了CS、粗糙化CS和X-TENG的開路電壓、短路電流和功率密度。（j）X-TENG與其他先進(jìn)文獻(xiàn)的功率密度比較圖。

圖3. X-TENG的傳感響應(yīng)性能。（a）不同尺寸X-TENG的開路電壓和轉(zhuǎn)移電荷量對(duì)比數(shù)據(jù)圖。（b）按壓作用下X-TENG邊角與中心摩擦電信號(hào)示意圖。（c）為X-TENG應(yīng)力傳感的靈敏度。（d）為X-TENG壓力傳感的響應(yīng)時(shí)間。（e）為X-TENG動(dòng)態(tài)壓力與電信號(hào)曲線圖。（f）為X-TENG在不同應(yīng)力下的傳感電信號(hào)曲線。（g）為X-TENG在不同頻率下的傳感電信號(hào)曲線。（h）為X-TENG在超過100000次的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。

圖4. 有源矩陣集成X-TENG可視化傳感的性能優(yōu)化. （a）為X-TENG在手指觸碰下驅(qū)動(dòng)LED的光學(xué)圖像。（b）為X-TENG在不同負(fù)載下的輸出電壓與輸出電流。（c）為L(zhǎng)ED在不同輸入電壓和電流下的亮度趨勢(shì)圖。（d）X-TENG串聯(lián)LED光源在不同應(yīng)力下的亮度趨勢(shì)圖。（e）X-TENG串聯(lián)光源在不同應(yīng)力下產(chǎn)生的電信號(hào)和光亮度曲線圖。（f）X-TENG通過5×5有源矩陣集成作為觸覺傳感器的光學(xué)圖像。（g）不同觸碰點(diǎn)位觸覺傳感器的光映射分布圖與電信號(hào)分布圖。

圖5. 手掌有源矩陣集成X-TENG可視化傳感的應(yīng)用。（a）多點(diǎn)位陣列觸覺傳感器的集成鏈接示意圖。（b）集成X-TENG系統(tǒng)不同抓握狀態(tài)下的光學(xué)圖像和對(duì)應(yīng)的可視化陣列光源圖像。（c）在宇航員和未來機(jī)器人手掌上集成可視化觸覺系統(tǒng)的示意圖。（d）不同手勢(shì)狀態(tài)下觸覺陣列序列的相關(guān)性圖。（e）通過遠(yuǎn)程的可視化傳感可實(shí)現(xiàn)在黑暗條件下的手語識(shí)別示意圖。

此研究通過摩擦電材料的表面形貌構(gòu)造及折紙工藝實(shí)現(xiàn)了可穿戴自供電觸覺系統(tǒng)前所未有的輸出功率密度（2.1 W/m2），同時(shí)這種X-TENG具有出色的應(yīng)力靈敏度（2.93 kPa-1）和電信號(hào)相應(yīng)時(shí)間（51 ms）。采用X-TENG構(gòu)建的可視化傳感器在人類觸覺壓力范圍內(nèi)（100 kPa）輕松將觸摸刺激轉(zhuǎn)換為視覺可見的光信號(hào)（9.8 cd/m2），實(shí)現(xiàn)了手掌抓取狀態(tài)和手勢(shì)信息傳輸?shù)倪h(yuǎn)程交互方式。X-TENG在視覺傳感方面的效率和可擴(kuò)展性已經(jīng)得到證明，自供電遠(yuǎn)程可交互視覺觸覺傳感器將為人機(jī)交互方法提供潛力。

來源：材料科學(xué)與工程