亟待攻克的核心技术——触觉传感器

背景介绍

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，它与通信，计算机技术构成了现代信息产业三大支柱。当前，中国已连续5年成为世界第一大机器人应用市场，但高端机器人仍依赖于进口。其中，触觉传感器是工业机器人核心部件，其对于产品精确、稳定的严苛要求，阻挡了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐。[1,2]

目前国内传感器企业大多从事气体、温度等传感器的生产，且几乎没有传感器制造商进行触觉传感器的生产。而日本阵列式传感器能在10cm×10cm大小的基质中分布100个敏感元件，售价达到10万元。对卖方而言，工艺门槛太高；而对买方而言，由于机器会在很严苛的环境下工作，对零部件的要求很高，国产货没有保障。“一个向左、一个向右”的局面，形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。[2]也正是如此，触觉传感器被列为与芯片、航空钢材等并列的关键“卡脖子”技术。

图1. 卡脖子技术清单(图源：https://new.qq.com/)

什么是触觉传感器

触觉是人类皮肤的一项重要功能，它可以通过物理接触来实现与周围环境的互动。触觉感受器通常基于触摸/压力检测，实现对外部刺激的反应，如压力、弯曲、拉伸和温度变化，从而识别接触的物体。

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。它的原理并不复杂，就是通过向一个一个具有“触觉”的阵列施以压力，产生电流，再向机器人传输二进制信号，并通过更高层的算法实现软件和硬件的协同反应，进而实现触觉操作的反馈，以及输入和输出。

图2. 应用于工业机器人中的触觉传感器 (图源：https://www.cnbeta.com/)

触觉传感器的应用场景

目前触觉传感器主要应用于四个方面：

1）让假肢获得接近真实的触觉；目前假肢可以让截肢者拥有部分功能但是并不能获得触觉，而触觉传感器可以通过模拟皮肤中的神经元传导信号，即“电子皮肤”；

2）力传感器赋予工业机器人手腕触觉，可以感知机器人和机台的所有力，富士康于2017年引入数千机器人取代工人更是证明了未来制造业采用工业机器人是大势所趋；

3）触觉传感器应用于仿生机器人，它们可以在严苛的工作环境下进行作业，替代人类但同时又可以获得相应的感知数据；

4）柔性触觉传感器，近年来便携式智能电子产品发展日新月异，出现了众多多功能的可穿戴设备。而穿戴式触觉传感器是可模仿人与外界环境直接接触时的触觉功能，主要包括对力信号、热信号的探测。除此之外，触觉传感器的适用范围在未来将大大拓宽，在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。[9]

柔性触觉传感器的发展现状

传统触觉传感器的感知性能不足以实现高灵敏度、高空间分辨率和快速响应时间的需求。另外，由于使用刚性材料，如硅和金属薄膜，其很难实现柔性情景下的应用。

在过去的十年里，纳米材料和微/纳米制造领域的巨大进步加速了柔性触觉传感技术的发展。目前已经开发了基于电阻、电容、压电和摩擦电的不同类型的触觉传感器。[3]

并且通过改进新材料、设计和制造方法的几种方法来提高传感器性能， 包括灵敏度、检测范围、线性度、响应时间、空间分辨率，并开发了新功能，例如多向力检测和环境屏蔽效应。

图3. (a) 触觉传感器在性能方面的进展; (b) 多模态、自供电、无线传感集成平台的设计；(c)触觉传感的最新应用[5]

除了性能的提高，触觉传感器与各种功能组件的集成同样极大的关注：(1)开发用于同时检测应变、温度、湿度和压力的多传感器系统，以改善人与机器之间的交互；(2)利用自供电传感器或柔性储能装置实现持续触觉传感系统；以及(3)将无线通信模块集成到触觉传感器上，以实现信号处理和数据实时传输。[4]

而触觉传感器最有前途的应用是人机交互系统，它允许人类通过触觉与人或机器交流。具有触觉传感器和显示器的触觉反馈系统可以实现精细和复杂的操作，例如，易碎物体的操纵和材料特性的研究。

此外，可穿戴触觉传感器有望在虚拟现实(VR/AR)通信中作为实时交互设备发挥重要作用，这是第四次工业革命的关键技术。[6]

触觉传感器的传导原理

设计触觉传感器时，应考虑灵敏度、检测范围、响应时间和空间分辨率等性能参数，以从“传感器-对象”获得精确信息。性能要求高度依赖于目标应用程序，因此很难提供具体的要求。然而，人类皮肤的压力感应特性可以是很好的参考(表1)。为了实现理想的触觉传感器，必须考虑线性、滞后、串扰等。[5]

表1. 人体皮肤的压力感应特性 [7]

(1)灵敏度

灵敏度是触觉传感器的主要参数之一，因为它与较低的检测极限和施加压力之间的细微差别有关，对于细微压力检测和测量精度起到至关重要的作用。压力传感器的灵敏度是根据输出信号(如电流、电容和电压)响应外部刺激的相对变化来测量的。提高灵敏度广泛使用的策略包括微结构工程与传感材料接触的显著变化。

(2)探测范围和线性度

探测范围是设计触觉传感器的另一个关键参数，具体依赖于应用需求。例如，人体产生的压力从细微的呼吸压力(<1kPa)和脉动压力(1–10kPa)到巨大的触摸和运动压力(>10kPa)不等。因此，对于触觉传感器，需要在大范围的压力下实现高灵敏度。线性度表示信号相对于施加的刺激的比例，高线性度有利于信号处理和校准。传感器需要在灵敏度和线性工作范围之间进行权衡。

(3)响应时间与迟滞

响应时间决定了传感器响应外部刺激获得稳定输出信号的时间，这在实时动态应用中至关重要，例如压力绘图显示和即时用户交互系统。对于基于聚合物材料的电阻和电容传感器，聚合物的粘弹性是响应缓慢的主要原因，因为聚合物链的变形和恢复需要时间。使用非聚合物材料，或通过额外的自由体积空间来减少聚合物变形的结构设计，可以解决粘弹性问题并提高传感器的响应速度。

迟滞决定了施加和释放压力时输出信号的不一致性，并且可以被定义为滞后程度(DH) =(Aloading−Aunloading)/Aloading× 100%。滞后的减少对于触觉传感应用是重要的，因为加载/卸载状态会产生信号差异，从而导致测量不准确，需要额外的电路和处理来补偿。滞后产生于多种机制，例如弹性体的粘弹性、导电材料和聚合物基体之间的弱界面粘附以及接触弹性体表面之间的表面能等。

(4)空间分辨率与串扰

触觉传感器阵列的空间分辨率决定了能否识别或操纵复杂触觉信息，目前已经通过传感器与信号处理电路的设计等方法，提高触觉传感器阵列的空间分辨率。然而，对于高密度传感器阵列而言，减少来自相邻单元的信号干扰是一项挑战，串扰会显著降低测量精度。目前多项研究报道了通过选择合适的材料与合适的传感器结构，或是通过有源晶体管矩阵与传感器的集成，实现了电气串扰的减少。

总结与展望

近年来，触觉传感器由于其多样的应用场景被广泛研究。由于新材料和微纳工程领域的发展，柔性触觉传感器有了相当大的发展。[8]在未来的研究中，针对柔性触觉传感器需要进一步考虑以下问题：

1)在保证机械灵活性的同时，触觉传感器不应阻挡皮肤或器官的生理活动。应该研究具有高级功能的高性能触觉系统，例如生物相容性和降解性。

2)需要对设备环境稳定性进行检验。在设计系统时，应进一步考虑人机交互系统的环境可靠性以及生物相容性的封装技术。

3)为了集成传感器件的工业化应用，应该研究具有成本效益、可扩展制造方法的高级、大面积集成器件。

4)触觉传感器和人机交互系统的研究应与信号处理和计算相适配，使其能够从日常活动的嘈杂、混合信号中实时提取有意义的数据，包括准确检测运动、生物信号和即时VR/AR通信。