隨著智能終端的普及, 可穿戴電子設(shè)備呈現(xiàn)出巨大的市場前景。觸覺傳感器作為核心部件之一, 將影響可穿戴設(shè)備的功能設(shè)計與未來發(fā)展。柔性觸覺傳感器是集柔性電子學(xué)、器件物理和材料學(xué)的交叉前沿研究領(lǐng)域，在人體臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、柔性電子皮膚, 甚至工業(yè)機器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。

近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛副教授團隊以“Recent progresses on flexible tactile sensors”為題在Materials Today Physics上發(fā)表綜述論文，文章第一作者為研究生萬永彪。該綜述介紹了柔性觸覺傳感器的最新進展，系統(tǒng)的闡述了柔性觸覺傳感器的傳感機理、性能評估、材料和器件設(shè)計及應(yīng)用。其中討論了器件的仿生微結(jié)構(gòu)設(shè)計和多功能集成設(shè)計。最后，給出了該研究所存在的問題和未來的展望，包括應(yīng)用到軟體智能假肢。

圖1.綜述導(dǎo)覽圖

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種與日常生活相關(guān)的服務(wù)設(shè)施，如手機、電腦、自動柜員機、家用電器等，以及娛樂、教育的媒介載體等等紛紛開始了“觸覺革命”。觸覺傳感器是實現(xiàn)機器人智能感知和人機交互的核心器件。觸覺傳感器以信號傳導(dǎo)的形式將觸覺信號轉(zhuǎn)換為電信號, 能實現(xiàn)觸覺信息的快速精確傳導(dǎo)，在人體臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、服務(wù)機器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。柔性觸覺傳感器為感知外界物體提供可靠的信息，如外物的尺寸、形狀、紋理等特性，還能提供安全和友好的交互體驗，類似于人類皮膚的功能，因此也被稱為電子皮膚。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種與日常生活相關(guān)的服務(wù)設(shè)施，如手機、電腦、自動柜員機、家用電器等，以及娛樂、教育的媒介載體等等紛紛開始了“觸覺革命”。觸覺傳感器是實現(xiàn)機器人智能感知和人機交互的核心器件。觸覺傳感器以信號傳導(dǎo)的形式將觸覺信號轉(zhuǎn)換為電信號, 能實現(xiàn)觸覺信息的快速精確傳導(dǎo)，在人體臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、服務(wù)機器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。柔性觸覺傳感器為感知外界物體提供可靠的信息，如外物的尺寸、形狀、紋理等特性，還能提供安全和友好的交互體驗，類似于人類皮膚的功能，因此也被稱為電子皮膚。

【器件基本原理】

如何將外界刺激傳導(dǎo)為可檢測、先讀取的電學(xué)信號是柔性觸覺傳感器的核心技術(shù)。柔性觸覺傳感器的信息傳導(dǎo)機制主要分為電阻、電容、壓電、摩擦電四大類，如圖2所示。

電阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、集成和輸出數(shù)據(jù)容易等優(yōu)點, 也是目前研究最為廣泛的一種電子應(yīng)變傳感器，其傳感因素主要受電極本身的形變產(chǎn)生的電阻變化及電極之間的接觸電阻影響。對于電容式傳感器，可通過改變正對面積A和平行板間距d來探測不同的力。電容式傳感器的主要優(yōu)勢在于其對力的敏感性強, 可以實現(xiàn)低能耗檢測微小的靜態(tài)力。壓電式傳感器則是基于材料在外界機械壓力作用下產(chǎn)生電壓的能力。壓電式傳感器具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度, 可用于檢測聲音的震動或脈搏的跳動等動態(tài)壓力，考慮到其能量收集的特性，壓電式傳感器在發(fā)展低能耗、自供能的柔性觸覺傳感器上具有重要價值。而摩擦電則是基于兩種不同的材料彼此摩擦?xí)r，在表面上誘發(fā)電荷，產(chǎn)生的電荷量取決于兩種接觸材料之間的摩擦電極性的差異，該傳感機理的摩擦電裝置能夠響應(yīng)于各種機械刺激而產(chǎn)生電信號，因此可以用作自供能的柔性觸覺傳感器。

圖2. 柔性觸覺傳感器傳感機理示意：(a)電阻式；(b)電容式；(c)壓電式；(d)摩擦電式。

【材料選擇】

相對于普通半導(dǎo)體傳感器, 材料的柔韌性和可拉伸性, 同時在應(yīng)力下不會產(chǎn)生物理損壞是制備柔性電子應(yīng)變傳感器的關(guān)鍵。為了制備性能優(yōu)異的柔性觸覺傳感器, 一些具有優(yōu)異電學(xué)和力學(xué)性能、能夠利用典型的傳導(dǎo)機理實現(xiàn)傳感器對外部刺激實時檢測的功能材料是我們探索和研究的重點。

襯底材料  對于柔性觸覺傳感器, 襯底材料是決定其彈性形變性能的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)電子傳感器通常以硅或氧化硅等作為襯底材料, 而柔性電子設(shè)備需要基底材料具有高柔韌性。許多商業(yè)化的聚合物材料都可以用來作為柔性基底, 構(gòu)建柔性觸覺傳感器, 例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚乙烯(PE) 和聚氨酯(PU)等。此外一些生活中的棉布、絲綢、紙也可用于傳感器基底。

活性層 柔性觸覺傳感器最重要的組成部分是活性層, 而具有優(yōu)異的機械性能和電子特性的活性材料是決定活性層性能的關(guān)鍵, 常見的活性層材料主要分為：自身具有高導(dǎo)電能力材料、高彈性導(dǎo)電復(fù)合材料, 在不同的制備條件和制備工藝下, 由各種類型活性材料制備的柔性應(yīng)變傳感器通常表現(xiàn)出不同的傳感性能。石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電高分子、離子導(dǎo)體、金屬納米材料等具有較高導(dǎo)電性，可用于柔性觸覺傳感器的活性層。

電極材料  電極是柔性觸覺傳感器中輸入和導(dǎo)出電流的兩個端極, 在器件制備過程中, 電極材料也是影響器件靈敏度和穩(wěn)定性的重要因素。在外力刺激下, 壓阻式傳感器的電極與電極之間以及電極與活性層之間的接觸電阻發(fā)生變化, 并產(chǎn)生有效的電流輸出信號, 所以制備傳感器電極通常利用具有優(yōu)異導(dǎo)電性能和機械性能的石墨烯、碳納米管等碳材料以及柔性復(fù)合材料。

圖3. 柔性觸覺傳感器材料分類

【器件設(shè)計及應(yīng)用】

具有高靈敏、快速響應(yīng)、低檢測限的柔性觸覺傳感器依賴于可靠的材料選擇、新穎的器件設(shè)計以及成熟的制造工藝。而常規(guī)的塊體材料因較大的粘滯性嚴(yán)重制約著器件的性能，解決這一難題的辦法就是構(gòu)筑非常規(guī)的微結(jié)構(gòu)。文中介紹了一些基于仿生微結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器（如圖4所示），對降低制造成本、提高器件性能有重要意義。考慮到能源消耗問題，制備自供能的柔性觸覺傳感器很有必要，例如一些基于壓電、摩擦電效應(yīng)的觸覺傳感器已經(jīng)得以制備。為了滿足實際應(yīng)用，單一功能的觸覺傳感器正朝著多功能方向發(fā)展，如三維力傳感、溫度傳感、濕度傳感等。得益于優(yōu)異的傳感性能，柔性觸覺傳感器可用于人體健康監(jiān)測、運動監(jiān)測、人工智能（如圖5）。

圖4. 基于仿生微結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器：(a-c)仿皮膚表層互鎖結(jié)構(gòu)；(d-f)仿蜘蛛神經(jīng)器官的裂紋；(g-i)仿動物胡須。

圖5. 柔性觸覺傳感器應(yīng)用

【總結(jié)】

本文介紹了柔性觸覺傳感器的最新研究進展，包括工作機理、傳感材料、器件設(shè)計制造及應(yīng)用。經(jīng)過研究學(xué)者們不懈的努力，已經(jīng)制備出高靈敏、快響應(yīng)、低檢測限、高可靠性的柔性觸覺傳感器，有些性能甚至超過了人體的皮膚。若將其應(yīng)用到實際生活中，許多方面仍需我們進一步優(yōu)化和拓展。未來柔性觸覺傳感器將朝著多功能、系統(tǒng)集成化、低能耗的方向發(fā)展。結(jié)合先進的智能反饋系統(tǒng)，具有精確的傳感精度和較高可靠性的柔性觸覺傳感器在軟體智能假肢有巨大的應(yīng)用價值（如圖6）。