機器之心報道
機器之心編輯部
在觸覺(jué)傳感器與執行器綜述中，我們已經(jīng)大致了解騰訊 Robotics X 實(shí)驗室在這兩個(gè)領(lǐng)域的探索及成果。本文將對該實(shí)驗室在觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域的成果進(jìn)行技術(shù)剖析，詳解實(shí)現方式、具體效果、研究意義以及潛在應用。
智能機器人要走進(jìn)家庭，與人類(lèi)安全地交互、靈巧操作各種物體，觸覺(jué)感知是基礎。觸覺(jué)傳感器相當于機器人的電子皮膚，通過(guò)測量傳感器與環(huán)境的物理交互產(chǎn)生的信息，模仿生物皮膚的觸覺(jué)感知，是機器人實(shí)現智能化的必備條件。
觸覺(jué)傳感器根據信號轉換機制的不同主要分為壓阻型、電容型、壓電型、摩擦電型四大類(lèi)，它們的原理、優(yōu)點(diǎn)和應用各有不同。
壓阻型觸覺(jué)傳感器：利用電阻的變化實(shí)現對外力的傳感，具有結構簡(jiǎn)單、集成和輸出數據容易等優(yōu)點(diǎn)。電容型觸覺(jué)傳感器：傳統的電容型觸覺(jué)傳感器通常由兩層電極層及其之間的軟彈性體組成，可以將壓力刺激轉換成電容信號以實(shí)現傳感功能。這種傳感器因其結構簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應好以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)在可穿戴和醫療保健設備中被廣泛應用。壓電型觸覺(jué)傳感器：基于材料在外界機械壓力作用下產(chǎn)生電壓的能力，具有較高的靈敏度和響應速度，被廣泛用于聲波振動(dòng)、脈搏跳動(dòng)等動(dòng)態(tài)壓力的檢測。摩擦電型觸覺(jué)傳感器：主要基于兩種物質(zhì)互相摩擦時(shí)接觸表面產(chǎn)生電荷引起電信號的變化，主要用于自供電的柔性觸覺(jué)傳感器。
騰訊 Robotics X 實(shí)驗室與合作高校在壓阻型、摩擦電納米發(fā)電機（TENG 型）和電容型觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域發(fā)表了多篇代表性論文，并被 Science Advances、Nature Communications 和 ACS Nano 期刊收錄，接下來(lái)一一進(jìn)行解讀。
柔性壓阻型觸覺(jué)傳感器陣列：開(kāi)發(fā)智能機器人觸控系統
壓阻型是柔性觸覺(jué)傳感器的主要類(lèi)型之一，尤其適合構建具有高空間分辨率的大型觸覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò )。導電納米材料（碳納米管）與聚合物彈性體（如聚氨酯等）二者合成的壓阻薄膜（PRF）是壓力傳感器的首選材料之一，但在實(shí)踐中因材料融合問(wèn)題導致 PRF 靈敏度較低。雖然可以采用表面微結構設計增強靈敏度，但基于模具的微結構往往限制了單個(gè)壓力傳感器的尺寸并阻礙其向大型傳感器陣列的集成。同時(shí)，構建大型壓力傳感器陣列還需要具有薄膜晶體管（TFT）陣列的有源矩陣，以實(shí)現高空間分辨率并減少相鄰傳感器像素之間的串擾。
在與清華大學(xué)合作的論文《Large-Scale Integrated Flexible Tactile Sensor Array for Sensitive Smart Robotic Touch》中，研究者將基于 PRF 的 64×64 柔性傳感器陣列與基于憶阻器的 CIM 芯片集成，開(kāi)發(fā)一個(gè)智能機器人觸控系統，在硬件中實(shí)現高達 98.8% 和 97.3% 的手寫(xiě)數字和漢字識別準確率。其中 PRF 是混合多壁碳納米管（MWCNTs）與熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）在低溫下合成的，上表面的自形成微結構靈敏度高、壓力檢測范圍廣、響應速度快且循環(huán)性?xún)?yōu)秀。論文被 ACS Nano 收錄。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06432
設計思路與技術(shù)細節
PRF 自形成微結構的表面粗糙度為 8~10 μm，這一規模遠遠小于以往工作中的典型可控微結構（如金字塔）。對于壓力傳感器陣列中尺寸為0.9×0.9mm^2 的像素而言，PRF 表明可被認為相對較為平坦的。通過(guò)將 PRF 與 4 英寸單壁 CNT TFT 的有源矩陣集成，構建了超高空間分辨率的柔性觸覺(jué)傳感器陣列，可以進(jìn)一步用于識別仿真蜜蜂的足跡。下圖 I-1 展示了智能機器人觸控系統。
圖 I-1。
如上文所述，MWCNTs 和 TPU 的復合材料被用來(lái)合成高性能 PRF，并通過(guò)溶液混合方法分別選擇 N - 甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF）作為 MWCNTs 和 TPU 的溶劑，以實(shí)現高濃度 MWCNTs（至少 14%）并均勻地混合到 TPU 彈性體中，同時(shí)避免了 MWCNTs 團聚問(wèn)題。
下圖 I-2 a 展示了 PRF 的結構，分為兩個(gè)不同的區域，一是具有粗糙表面形態(tài)的上區域（即自形成微結構），隨機排列的 MWCNTs 被 TPU 包裹；另一是具有平坦表面形態(tài)的下區域，其中被均勻分散在 TPU 中的 MWCNTs 填充。為了確認上表面的自形成微結構，研究者分別檢查了 PRF 上下表面的形態(tài)和粗糙度，如圖 I-2 b、c 所示。圖 I-2 d、e 分別展示了分散液中原始 MWCNTs 和 PRF 中 MWCNTs/TPU 復合材料的氦離子束顯微鏡（HIM）圖像。圖 I-2 f-h 進(jìn)一步研究了 PRF 薄膜的橫截面，其中清晰可見(jiàn)兩個(gè)不同的區域。
圖 I-2。
PRF 的上區域主要是 TPU 包裹的 MWCNTs，而下區域主要是 MWCNTs 與 TPU 的聚合物，這種特殊結構可以大大增強壓力傳感性能。為了測量 PRF 的靈敏度，研究者將它夾在兩個(gè)金屬電極之間，然后測量 0~1400 kPa 范圍內不同施加壓力的電流響應，其中很多機器人應用（如圖 I-3 g 的機器狗）需要更大的壓力范圍。圖 I-3 e 展示了 1500 次循環(huán)的可循環(huán)測試，圖 I-3 f 展示了測試中多個(gè)循環(huán)的放大效果。研究者更是對另一個(gè) PRF 樣品進(jìn)行 3000 次循環(huán)的測試，驗證 PRF 具有很強的耐用性和穩健性。圖 I-3 h 中使用 PRF 壓力傳感器（6% 濃度的 MWCNTs）進(jìn)行人體脈搏監測實(shí)驗，以展示其超高的靈敏度。
圖 I-3。
研究者開(kāi)發(fā)的 PRF 具有出色的壓力傳感特性并成為高性能觸覺(jué)傳感器的絕佳選擇。除了常規正向壓力檢測外，PRF 還可以被組裝成一個(gè)陣列，并通過(guò)計算陣列中每個(gè)傳感器上施加的壓力來(lái)檢測力的方向。
識別蜜蜂足跡、手寫(xiě)數字和漢字分類(lèi)
機器人觸控通常需要具有高空間分辨率的大型集成式壓力傳感器陣列，因此研究者將低溫處理后的 PRF 與單壁 CNT TFT 制作成 64×64 有源矩陣集成，以構建 4 英寸的大型集成式壓力傳感器陣列。其中，有源矩陣首先使用涂覆在 4 英寸硅底片上的 PI 薄膜上制作。
下圖 I-4 a-c 展示了 CNT TFT 有源矩陣的示意圖，圖 I-4 d 為晶體管溝道中高密度 CNT 薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，長(cháng) 8 μm、寬 100 μm，圖 I-4 e 為從底片上剝離后的有源矩陣的示意圖。圖 I-4 i 展示了傳感器陣列上仿真蜜蜂（重量 6.7 克、足寬約 0.55 mm）的足跡識別，它的六只腳在壓力傳感器陣列上的位置中被正確識別。圖 I-4 j 放大左后腳，可以看到陣列中八個(gè)傳感器像素被施加了不同的壓力。
圖 I-4。
除了識別與物體形狀相關(guān)的壓力圖之外，收集的傳感器數據還可以幫助識別數據表示的模式。通過(guò)進(jìn)一步將傳感器陣列與 AI 硬件集成，并利用深度學(xué)習算法進(jìn)行高效數據處理，從而在顯著(zhù)降低功耗和延遲的情況下實(shí)現未來(lái)的邊緣或近傳感器計算。
如下圖 I-5 a 所示，研究者將基于 PRF 的 64×64 傳感器陣列與基于憶阻器的 CIM 芯片集成，構建了一個(gè)用于智能機器人觸控的觸覺(jué)硬件系統原型，用于采集和識別手寫(xiě)數字或漢字等字符。圖 I-5 b 展示了所采用的一款全系統集成的 CIM 芯片，采用 130nm CMOS 工藝制成，圖 I-5 c 展示使用約 160k 的憶阻器實(shí)現 784×100×10 的多層感知機（MLP）。在寫(xiě)入一個(gè)數字期間記錄的所有幀被組合生成一幅像素為 64×64 的圖像，如圖 I-5 d 所示。研究者共收集了 3099 張手寫(xiě)數字圖像，隨機選擇其中的 2598 張作為訓練集，其余 501 張作為測試集。結果顯示，訓練與測試的準確率分別達到了 99.2% 和 98.8%，與軟件模擬中實(shí)現的數值相當。
除手寫(xiě)數字之外，研究者使用壓力傳感器陣列以類(lèi)似的方式收集更復雜的字符圖案（例如漢字）并進(jìn)行分類(lèi)識別。他們選取九個(gè)漢字（清華大學(xué)微納電子系），通過(guò)在 64×64 傳感器陣列上書(shū)寫(xiě)收集了 900 張圖像（每個(gè)漢字 100 張）的數據集。結果顯示，這些漢字的分類(lèi)準確率達到 97.3±1.0%。
圖 I-5。
柔性 TENG 式觸覺(jué)傳感器：自供電無(wú)線(xiàn)傳感電子貼紙
在實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)連通萬(wàn)物的過(guò)程中，基于電磁波的無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)面臨著(zhù)挑戰。如下圖 II-1 所示，當前無(wú)線(xiàn)系統包含傳感、信號調制、無(wú)線(xiàn)傳輸以及供能與能量管理四個(gè)模塊，造成剛性和體積龐大的電子元件。雖然可以使用可拉伸柔性電子設備來(lái)解決柔體 - 剛體接口問(wèn)題，但大多數仍由本質(zhì)上剛性的組件或設備組成，限制了電子皮膚和可植入醫療設備等應用場(chǎng)景。這些電子元器件的總能耗也較大，因此需要電池或電纜提供電力，給實(shí)施和維護造成不便，引起可持續性和環(huán)境問(wèn)題。
圖 II-1。
這時(shí)，新興的摩擦納米發(fā)電機（TENG）技術(shù)進(jìn)入了視野，它可以通過(guò)額外的位移電流項來(lái)觸發(fā)無(wú)線(xiàn)信號的產(chǎn)生和傳輸。TENG 可以同時(shí)高效地捕獲機械能和運動(dòng)信號，無(wú)需額外的電源和傳感模塊。電磁波發(fā)射的功耗通常小于 1 mW，這可以通過(guò) TENG 收集的典型動(dòng)能輕松實(shí)現，使設備完全自供電。
在與香港中文大學(xué)合作的論文《A paradigm shift fully self-powered long-distance wireless sensing solution enabled by discharge-induced displacement current》中，研究者基于 TENG 觸發(fā)的擊穿放電提出一種范式轉換策略，研發(fā)一種自供電無(wú)線(xiàn)傳感電子貼紙（SWISE），它可以將上述所有模塊的功能集成在一個(gè)微型單元中，如下圖 II-2 左所示。為了實(shí)現放電感應信號的產(chǎn)生，兩個(gè)具有放電尖端的鏡像對稱(chēng)金屬電極夾在基底膜和摩擦電荷層膜之間，FEP 薄膜和 PDMS 分別用作摩擦電荷薄膜和基底。該器件的總厚度可降至 95 μm，兩個(gè)電極之間的間隙距離被控制在 10 到 500 μm。論文被 Science Advances 收錄。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi6751
研究者使用非光刻和光刻方法制作不同的 SWISE 器件，具備了?。ǖ椭?95μm）、?。ǖ椭?9 mm x 9 mm）、輕（低至 16 mg）、柔軟、可變形等特點(diǎn)。與以往各種工作相比，SWISE 通過(guò)擊穿放電產(chǎn)生了快速變化的極化項，體積尺寸最小，有效傳輸距離最長(cháng)，如下圖 II-2 右所示。
SWISE 避免了中間步驟的額外功耗，完全由捕獲的信號作為能源實(shí)現自供電，無(wú)需任何外部電源輸入。同時(shí)，通過(guò)區分不同設計參數和氣體成分產(chǎn)生的信號來(lái)實(shí)現多點(diǎn)運動(dòng)傳感和氣體傳感的能力。得益于多點(diǎn)傳感能力，SWISE 的量產(chǎn)可用于自供電無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)和智能腕帶等應用。
圖 II-2。
SWISE 的原理、系統評估與氣體環(huán)境實(shí)驗
SWISE 的工作原理是這樣的：在手指輕輕滑動(dòng)的驅動(dòng)下，無(wú)需任何外部電源即可通過(guò)放電過(guò)程將輸入的運動(dòng)信號直接轉換為電磁信號，展現完全自供電能力。當被觸發(fā)時(shí)，摩擦起電在摩擦電荷層中產(chǎn)生負電荷。由于靜電感應電荷，電極之間產(chǎn)生電場(chǎng)，在尖端周?chē)哂凶罡咧?，如下圖 II-3 A 中的 COMSOL 模擬結果所示。同時(shí)強電場(chǎng)產(chǎn)生擊穿放電，幅度和上升時(shí)間由 SWISE 中的環(huán)境和結構因素決定。擊穿放電產(chǎn)生高頻位移電流，因而感應到無(wú)線(xiàn)電磁信號。
接著(zhù)生成的無(wú)線(xiàn)信號通過(guò)連接到示波器（作為接收器）的遠程線(xiàn)圈來(lái)捕獲和測量。典型信號的時(shí)間響應如圖 II-3 B 所示，使用快速傅里葉變換的頻率響應如圖 II-3 C 所示，其中信號頻譜分布在數百兆赫茲，主要在甚高頻（VHF）頻帶，而接收器中的諧振頻率集中在 1 0MHz 左右。
SWISE 生成信號的特性如圖 II-3 D 所示。為了方便研究各種因素的影響，研究者在一個(gè)獨立滑動(dòng)式 TENG（FS-TENG）上連接兩個(gè)尖端電極進(jìn)行放電（即擊穿放電器）。FS-TENG 由固定在光學(xué)平臺上的線(xiàn)性馬達驅動(dòng)，其滑塊移動(dòng)距離、速度、加速度可被精確。而當通過(guò)滑動(dòng)運動(dòng)部件觸發(fā) FS-TENG 時(shí)，產(chǎn)生了電場(chǎng)并實(shí)現擊穿放電。接收器的諧振頻率保持在了 10MHz 左右。研究者證明了 SWISE 可以全方向地傳輸無(wú)線(xiàn)信號，并且在每個(gè)方向上檢測到的信號強度幾乎相同，如圖 II-3 E 所示。
圖 II-3。
環(huán)境因素對放電行為產(chǎn)生了很大影響，并可能影響無(wú)線(xiàn)信號?；诖?，研究者系統研究了氣體類(lèi)型的影響，實(shí)驗平臺如下圖 II-4 A 所示。為了創(chuàng )建一個(gè)純凈的氣體環(huán)境，擊穿放電器被放置在一個(gè)由 FS-TENG 驅動(dòng)的腔室中。研究者測試了下圖 II-4 C 中的 4 種純凈氣體和 6 種混合氣體，它們的典型信號波形如圖 II-4 B 所示。過(guò)程中，通過(guò)重復擊穿放電收集這 10 種氣體環(huán)境的數據，每種收集 100 組數據。每組數據都是電壓 - 時(shí)間波形，共包含大約 2500 個(gè)數據點(diǎn)。
在分析過(guò)程中，研究者使用深度學(xué)習方法。通過(guò)建立雙向長(cháng)短期記憶模型，對不同氣體環(huán)境的數據進(jìn)行分析以識別氣體。每種氣體環(huán)境的 100 個(gè)數據集隨機分為兩組，80 個(gè)用于訓練，20 個(gè)用于測試。結果顯示對每種氣體的識別都獲得很高的識別率，總體識別準確率達到 98.5%，如圖 II-4 C 所示。在此基礎上，研究者預測深度學(xué)習方法可以用來(lái)區分來(lái)自腔內具有不同氣體成分的多個(gè) SWISE 的無(wú)線(xiàn)信號，這可能實(shí)現對 SWISE 傳感陣列的氣體傳感和多點(diǎn)運動(dòng)傳感能力。
圖 II-4。
無(wú)線(xiàn)運動(dòng)傳感、自供電無(wú)線(xiàn)柔性鍵盤(pán)和智能腕帶
得益于重量輕、靈敏度高、成本低、柔性和可變形等特點(diǎn)，SWISE 可以廣泛應用于信號傳感和傳輸，無(wú)需額外供電。研究者展示了一些自供電無(wú)線(xiàn)傳感應用。
首先 SWISE 制備成電子皮膚，用于檢測運動(dòng)并即時(shí)傳輸放電感應的電磁波信號，具有傳輸距離遠的優(yōu)點(diǎn)。如下圖 II-5 A 所示，無(wú)線(xiàn)電磁信號可以被遠距離傳輸超過(guò) 10m 的接收器檢測到，其中 SWISE 由手指的輕柔運動(dòng)驅動(dòng)。圖 II-5 B 為基于 SWISE 的電子皮膚和智能手環(huán)的整體圖解。SWISE 電子皮膚可以服帖的集成在人體不同位置，如手臂、肘部、腿、腳踝和頸部，用以檢測身體運動(dòng)，如圖 II-5 C 所示。
在圖 II-5 D 中，經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈和信號處理電路，手指滑動(dòng)以驅動(dòng) SWISE 產(chǎn)生的無(wú)線(xiàn)信號能開(kāi)啟基于 LED 的照明系統，以驗證其高靈敏度。最后，圖 II-5 E 還展示了基于 SWISE 的柔性鍵盤(pán)和智能腕帶系統。
圖 II-5。
憑借無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的完全自供電能力、最小尺寸和最長(cháng)有效傳輸距離，柔性、低成本和高可擴展性，這項工作將在機器人、可植入和可穿戴電子設備、醫療保健、智能家居、智慧城市、工業(yè) 4.0 等領(lǐng)域展現出巨大的應用潛力。
柔性電容式觸覺(jué)傳感器：實(shí)現傳感器 - 軟機器人無(wú)縫集成
機器人、假肢和其他機器在配備電子皮膚或柔性壓力傳感器時(shí)能夠獲得感官功能，通過(guò)引入新的設計（如界面微結構）或者將導電填料摻雜到介電層中，此類(lèi)器件的性能得到顯著(zhù)改善。電子皮膚設備可以對機械刺激做出響應，并使機器人感知周?chē)h(huán)境。不過(guò)現有電子皮膚面臨一個(gè)長(cháng)期挑戰，由于器件各層之間的界面不牢固，導致在惡劣和復雜的機械條件下穩定性較差。
此外，將電子皮膚集成到軟機器人或其他機器中會(huì )不可避免地引入額外的界面，由此也造成界面粘附性差和機械失配。因此迫切需要在電子皮膚和傳感器 - 機器人的不同層以及器件 - 機器人的界面是哪個(gè)構建強韌界面。
針對這些挑戰，在與南方科技大學(xué)合作的論文《Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces》中，研究者開(kāi)發(fā)出一款基于聚二甲基硅氧烷 - 碳納米管（PDMS-CNTs）準均質(zhì)復合材料的柔性壓力傳感器，這種設計有效避免了異質(zhì)結構之間的力學(xué)失配。通過(guò)在不同功能層之間引入強拓撲纏結設計以產(chǎn)生堅韌的界面，實(shí)現傳感器與軟體機器人的無(wú)縫集成。論文被 Nature Communications 收錄。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29093-y
解決機械失配、生成堅韌界面
下圖 III-1 a 為傳統多層、多材結構的電子皮膚示意圖，各功能材料層通過(guò)簡(jiǎn)單的堆疊組裝而成。這類(lèi)結構的器件服役于含有剪切等復雜工況時(shí)，層間界面因模量、兼容性失配，導致分層，如圖 III-1 b 所示，出現傳感信號穩定性下降甚至失效風(fēng)險。歸結原因在于其多層、多材結構的機械及兼容失配。
與傳統多層電子皮膚不同，本研究中的壓力傳感器由功能層材料均采用 CNTs/PDMS 同質(zhì)材料組成，力學(xué)模量近似，避免了機械失配問(wèn)題；同時(shí)在各功能層界面引入拓撲交聯(lián)結構，形成了具有堅韌的粘合界面，具體如圖 III-1 c 所示。從上到下依次為平電極層（7 wt% CNTs、50 μm 厚）、平介電層（2 wt% CNTs、120 μm 厚）和微錐電極（7 wt% CNTs、約 100 μm 厚）。
為了生成堅韌粘合界面，研究者首先將電極和介電層在含有 PDMS base（5.5 wt%）和固化劑（0.55 wt%）的三氯甲烷溶液中進(jìn)行溶脹（圖 III-1 e）。接著(zhù)按順序堆疊溶脹后的功能層，在 20 kPa 的預壓力下進(jìn)行固化（圖 III-1 f）。隨著(zhù) PDMS 原位聚合反應的發(fā)生，功能層間界面處新形成的 PDMS 網(wǎng)絡(luò )，并與原有 PDMS 網(wǎng)絡(luò )的分子鏈發(fā)生拓撲纏結，實(shí)現了具有強粘合界面層的一體式結構（圖 III-1 g）。確切地說(shuō)，在介電層和底部微結構電極之間的界面處，微錐尖端與介電層融為一體，如圖 III-1 h 所示。
圖 III-1。
得益于整個(gè)體系的均質(zhì)材料體系，各功能層都表現出了相似的力學(xué)性能。下圖 III-2a 表明純 PDMS、摻雜 2 wt% 和 7 wt% CNTs 的 PDMS-CNTs 復合材料的楊氏模量分別為 1.2、1.4 和 3.4 MPa。雖然摻雜 CNTs 使得復合材料的楊氏模量增加，但微小的差異幾乎不會(huì )引起力學(xué)失配。
研究者測量了器件結構不同層間界面的韌性和剪切強度。電極和介電層之間的平面界面具有420J·m^-2 的界面韌性和 90 kPa 的剪切強度，而微結構界面雖然包含大量的孔隙，界面韌性仍達到了 390 J·m^-2，剪切強度為 88 kPa，如圖 III-2 b、c 所示。如此高的界面韌性要得益于兩種機制：一是顯著(zhù)的彈性耗散機制，二是微塔結構的離散斷裂機制。
首先，微塔結構 - 介電層界面的強粘附性和微塔結構的可拉伸性使其具有高的彈性能量耗散。微塔結構可以顯著(zhù)拉伸到大應變（約 200%）以耗散能量，如圖 III-2 d、e 所示。其次，遭到離散破裂的微塔結構可以穩定局部的界面，避免連續的裂紋擴展。雖然塊狀 PDMS 柔軟且可拉伸，但一旦形成裂紋，它將快速擴展直至斷裂，如圖 III-2 f 所示。圖 III-2 g 為器件結構在扭曲、彎折和拉伸的機械受力模式下的原位 SEM 觀(guān)察，表現出穩定的結合界面，這進(jìn)一步證實(shí)了微結構界面的韌性和穩定性。
圖 III-2。
下圖 III-3 a 展示了傳感器（面積為 10 mm × 10 mm）在不同壓力下的電容響應。當壓力低于 47 kPa 時(shí)，靈敏度為 0.15 kPa^?1；當壓力在 47 和 214 kPa 之間時(shí)，靈敏度下降至 0.08 kPa^?1；壓力在 214 到 450kPa 之間又下降到 0.04 kPa^?1。由于響應和松弛速度會(huì )受到材料粘彈性和表面結構的影響，研究者通過(guò)施加、保持和移除 1.1 kPa 的壓力來(lái)測試傳感器（面積為 7 mm × 7 mm）的響應和松弛時(shí)間，兩者均為 6 ms，如圖 III-3 b 所示。
PDMS-CNTs 電極（7 wt% CNTs）也可用作應變傳感器，并在 0-60% 的應變范圍內，表現出了 2.5 的恒定應變系數，如圖 III-3 c 所示。圖 III-3 d 表明摻雜 CNT（2 wt%）顯著(zhù)增加了介電層的相對介電常數，并使它高度依賴(lài)于壓力。隨著(zhù)壓力從 0 增加到 460 kPa，該常數從 19.8 增加到 114。表明電容增大一部分是由介電層電學(xué)性能變化貢獻的。
為了進(jìn)一步闡明壓力傳感機制，研究者通過(guò)微結構界面的變形仿真，并使用圖 III-3 e 展示的簡(jiǎn)化電路模型計算了單個(gè)單元的電容。結果顯示，電容變化是微塔結構和摻雜 CNT 介電層電學(xué)性能變化的協(xié)同效應，其中高壓區（壓力 > 200 kPa）的響應主要來(lái)自局部微觀(guān)結構變形，而低壓響應主要來(lái)自摻雜 CNT 導致的介電常數變化。
圖 III-3。
該傳感器在循環(huán)加卸載下表現出了高穩定性。研究者分別測試了傳感器（面積為 10 mm × 20 mm）在摩擦和剪切條件下的信號穩定性。圖 III-3 g、h 表明，當傳感器在 10 kPa 的常壓和 2 mm 的往復位移下，用砂紙摩擦 100000 次循環(huán)時(shí)，信號波形或幅度沒(méi)有明顯變化。同時(shí)通過(guò)施加 5 kPa 的重復剪切應力 10000 個(gè)循環(huán)來(lái)測試信號穩定性，同樣沒(méi)有觀(guān)察到信號幅度或機械故障的明顯變化，如圖 III-3 i 所示。
極端工況下傳感信號穩定性展示
研究者將器件貼附于一輛轎車(chē)的輪胎表面（面積 10 mm×40 mm），如下圖 III-4 a 所示，通過(guò)高速行駛時(shí)輪胎與地面產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)交變的壓力（約 300 kPa）、剪切力（約 6 kPa），如圖 III-4 b，c 所示，模擬復雜的極端受力工況。同時(shí)對比商用壓力傳感器在汽車(chē)行駛過(guò)程中的信號穩定性。如圖 III-4 d 所示，當汽車(chē)以 22 km·h^-1 的平均速度行駛時(shí)，電容信號在至少 2.6 km（或 1102 轉）范圍內保持穩定。信號的高穩定性與圖 III-4 e 中傳感器的微結構一致，這表明測試后微塔在界面處保持良好的粘合而沒(méi)有破裂。相比之下，商用的傳感器在如此復雜機械條件下的「生存」面臨巨大的挑戰，經(jīng)過(guò) 0.5 km 后傳感功能失效，這進(jìn)一步證明，具有粘合界面、力學(xué)適配設計的新型傳感器件能夠在類(lèi)似的極端復雜工況下長(cháng)期穩定服役。
圖 III-4。
下一代軟體機器人的一大需求是與電子皮膚融合以獲得感知功能，進(jìn)而實(shí)現與人類(lèi)或環(huán)境交互功能。上文也提到，傳感器與機器人的集成存在界面兼容性差的問(wèn)題。因此，將傳感器矩陣嵌入機器人中等類(lèi)似設計將有助于實(shí)現結構融合。研究者的層間界面的拓撲纏結設計對解決這一問(wèn)題表現出極高潛力。
下圖 III-5 a 展示了一個(gè)軟夾具，研究者在其表面集成了八個(gè)傳感器。圖 III-5 b 中展示了夾持器矩陣與傳感器的底部電極粘接界面形貌，可以看機器人 - 傳感器層間界面實(shí)現了很好的融合。圖 III-5 c-g 展示了抓取網(wǎng)紋甜瓜（重量 1250 g）和毛絨娃娃（重量 180 g）時(shí)的壓力分布圖。
研究者還對電容信號的穩定性進(jìn)行了進(jìn)一步測試。如圖 III-5 g 所示，他們用軟夾具抓起桌子上的甜瓜并將其提升 10 cm，在此高度保持約 1 秒，然后放回桌子并松開(kāi)。重復該過(guò)程 1000 次之后沒(méi)有觀(guān)察到明顯的信號變化，而對照傳感器由于沒(méi)有拓撲纏結提供的強韌界面，它用于粘附微塔結構和介電層的薄 PDMS 在第 137 次循環(huán)時(shí)便出現了分層現象，傳感性能失效。
最后，研究者展示了軟夾具在抓取 - 提起 - 緊握 - 釋放娃娃的動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電容和電阻響應。在初始狀態(tài)下，軟夾具完全打開(kāi)以抓取大件物品，并對傳感器施加了拉伸應變。在接觸和抓握娃娃時(shí)，電容急劇增加，電阻也會(huì )隨夾具表面應變的減小而降低。然后將娃娃提起并保持約 2 秒，并在釋放時(shí)落下（圖 III-5 j）。這表明該傳感器件能夠實(shí)現雙模態(tài)傳感模式，從而可以應用于需要精準反饋應變和應力的服役場(chǎng)景。
圖 III-5。
綜上所述，研究者提出 同質(zhì) 設計思路，在單一材料體系內通過(guò)電學(xué)調控，獲得力學(xué)適配、界面兼容的材料體系。輔助以高分子聚集態(tài)結構調控策略，在不同功能層的界面之間，通過(guò)小分子擴散，引入原位聚合的交聯(lián)拓撲網(wǎng)絡(luò )粘結層，制備的一體式粘合封裝柔性壓力傳感器，在如汽車(chē)碾壓極端工況下（~300 kPa 壓應力和~ 6 kPa 剪切應力耦合作用），仍能夠表現出優(yōu)異的穩定傳感功能。該電容式傳感器由準均質(zhì)材料組成，即聚二甲基硅氧烷 - 碳納米管（PDMS-CNT）材料體系，不同功能層之間引入的 PDMS 交聯(lián)拓撲網(wǎng)絡(luò )結構，使得界面韌性可達~ 400 J·m^-2，以及~ 90 kPa 的剪切強度。導電、介電功能層間形成了堅固而牢靠的融合界面，實(shí)現了多材料、多結構界面的共融構筑。同質(zhì)設計可從根本上解決不同材料體系導致的界面兼容性差和力學(xué)失配問(wèn)題，達到材料 - 材料的共融設計，該策略對后續電子皮膚在智能制造、健康監測等領(lǐng)域中復雜受力模式下的可靠穩定傳感功能的構筑提供了新方法。
除以上三篇代表性論文外，騰訊 Robotics X 實(shí)驗室在觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域還有其他工作，想要了解更多細節的讀者可以參閱以下論文。
1. 壓阻型：標題《A Single-material-printed, Low-cost Design for A Carbon-based Fabric Strain Sensor》
機構：華南理工大學(xué)、騰訊 Robotics X 實(shí)驗室等論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522005482
2. TENG 型：標題《A flexible triboelectric tactile sensor for simultaneous material and texture recognition》
機構：清華大學(xué)深圳國際研究生院、騰訊 Robotics X 實(shí)驗室等論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521010478
3. 電容型：標題《Iontronic pressure sensor with high sensitivity and linear response over a wide pressure range based on soft micropillared electrodes》
機構：南方科技大學(xué)、騰訊 Robotics X 實(shí)驗室等論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321001328f0030
