仿人类皮肤触觉传感器 能实时区分不同外界刺激

要你徒手拿起而不捏碎一块豆腐并不容易，但装有新型触觉传感器阵列的机械手却轻易做到！由香港城市大学（香港城大）科研人员共同领导的一支研究团队，早前研发出能够实时区分不同外界刺激的触觉传感器阵列，有望应用于电子皮肤甚至智能假肢，令身体有残缺者重拾触感，改善他们的生活素质。

研究团队由香港城大机械工程学系（MNE）的助理教授杨征保博士，以及哈尔滨工业大学（深圳）的学者共同领导。研究的结果已于科学期刊《Advanced Science》上发表，题为〈Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli〉。 

受人体皮肤启发的触觉传感器

皮肤赋予人类触觉，我们可以同时感觉到各种外界刺激的强度和模式，例如分辨出按压的力度等。举个例子，假如感觉手中拿的瓶子向下滑了，我们就会调整力度抓实瓶子。然而目前模仿人类皮肤的触觉传感器，却往往未能即时感知及分辨出外界刺激的不同模式，例如未能分辨是滑动还是按压，因此即使装上触觉传感器，机械手仍然未及人手般灵活。

杨博士与研究团队受人体皮肤的结构所启发，成功设计出可以实时区分到不同刺激的强度、确实位置以及模式的压电式触觉传感器阵列。与同类设备相比，研究团队研发的技术具有更高的灵敏度和耐用性，而且反应更快速。杨博士说：“我们这个系统，能够实时检测和区分单一传感器内测量到的不同外部刺激。而且传感器作出反应的速度极快，反应时间可以短至10毫秒，甚至比人体皮肤还要快！”

 

新型触觉传感器阵列由保护层、隔离层和感知层而组成。“这个结构令传感器能够测量到更多的时空信息（spatiotemporal information）。”杨博士解释说。

压电效应（piezoelectricity）是指电介质材料中，机械能与电能互换的现象。研究团队这种基于压电薄膜的触觉传感器阵列，便利用压电效应原理，能将外界的刺激转换为电信号，经过信号处理并结合逻辑算法（logical algorithm），传感器能即时判断出外界刺激的大小和模式，例如轻微滑动，按压和弯曲。实验结果证明传感器阵列能够同时“感应到”弯曲的半径和弯曲方向，以及同时精确捕捉到多个外界刺激点的确实位置。

而为了缩小传感器的尺寸，团队一改现行“行x列（row x column）”的电极排列模式，研发出“行+列（row + column）”的电极模式，结果大大减少所需的接驳线路数量，减省成本之余更成功解决了现有传感器普遍存在的信号串扰问题。

成功将豆腐抓住而不捏碎

研究团队进行实验测试技术的应用。结果装有触觉传感器的机械手由于得到实时的反馈，适时调整力度，成功将易碎的豆腐抓住而没有捏碎。相反，未装有触觉传感器的机械手就捏碎了豆腐。这显示出技术应用于人机界面的巨大潜力，并促进了智能假肢和机械手的发展，更或可被工业界用以处理柔软和易碎的产品。 

^{装有触觉传感器的机械手成功将豆腐抓住而没有捏碎。（杨博士团队提供）}

^{未装有触觉传感器的机械手则捏碎了豆腐。（杨博士团队提供）}

或能为皮肤受损者重建触觉

此外，技术也或能用于重建人类触觉系统，例如尝试令皮肤受损者及截肢者重拾触觉。而且团队研发的传感器还可以协助监测人体的健康状况，实验证明能准确检测出微弱的脉搏。杨博士更透露，在实验中他们的技术灵敏得可以检测到微小昆虫例如蜘蛛的急速移动。

杨博士总结道：“我们的研究补足了现有传感器在实时感测和区分各种刺激上的技术不足，并为传感器的设计和大面积可扩展制造带来启示。”这种实时区分不同刺激的技术用途广泛，可用于电子皮肤、健康监测和机器人。

杨博士与哈尔滨工业大学（深圳）的胡泓教授是论文的共同通讯作者。论文的共同第一作者是来自香港城大MNE的研究助理林伟康和博士生王标。其他联合作者包括同样来自MNE的博士生单尧和哈尔滨工业大学（深圳）的研究人员。

研究获得香港城大、香港研究资助局和国家自然科学基金会的资助进行。

DOI number: 10.1002/advs.202002817

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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