仿人類皮膚觸覺傳感器 能實時區分不同外界刺激

要你徒手拿起而不捏碎一塊豆腐並不容易，但裝有新型觸覺傳感器陣列的機械手卻輕易做到！由香港城市大學（香港城大）科研人員共同領導的一支研究團隊，早前研發出能夠實時區分不同外界刺激的觸覺傳感器陣列，有望應用於電子皮膚甚至智能假肢，令身體有殘缺者重拾觸感，改善他們的生活素質。

研究團隊由香港城大機械工程學系（MNE）的助理教授楊征保博士，以及哈爾濱工業大學（深圳）的學者共同領導。研究的結果已於科學期刊《Advanced Science》上發表，題為〈Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli〉。

受人體皮膚啟發的觸覺傳感器

皮膚賦予人類觸覺，我們可以同時感覺到各種外界刺激的強度和模式，例如分辨出按壓的力度等。舉個例子，假如感覺手中拿的瓶子向下滑了，我們就會調整力度抓實瓶子。然而目前模仿人類皮膚的觸覺傳感器，卻往往未能即時感知及分辨出外界刺激的不同模式，例如未能分辨是滑動還是按壓，因此即使裝上觸覺傳感器，機械手仍然未及人手般靈活。

楊博士與研究團隊受人體皮膚的結構所啟發，成功設計出可以實時區分到不同刺激的強度、確實位置以及模式的壓電式觸覺傳感器陣列。與同類設備相比，研究團隊研發的技術具有更高的靈敏度和耐用性，而且反應更快速。楊博士說：「我們這個系統，能夠實時檢測和區分單一傳感器內測量到的不同外部刺激。而且傳感器作出反應的速度極快，反應時間可以短至10毫秒，甚至比人體皮膚還要快！」

 

新型觸覺傳感器陣列由保護層、隔離層和感知層而組成。「這個結構令傳感器能夠測量到更多的時空信息（spatiotemporal information）。」楊博士解釋說。

壓電效應（piezoelectricity）是指電介質材料中，機械能與電能互換的現象。 研究團隊這種基於壓電薄膜的觸覺傳感器陣列，便利用壓電效應原理，能將外界的刺激轉換為電信號，經過信號處理並結合邏輯算法（logical algorithm），傳感器能即時判斷出外界刺激的大小和模式，例如輕微滑動，按壓和彎曲。實驗結果證明傳感器陣列能夠同時「感應到」彎曲的半徑和彎曲方向，以及同時精確捕捉到多個外界刺激點的確實位置。

而為了縮小傳感器的尺寸，團隊一改現行「行 x列（row x column）」的電極排列模式，研發出「行+列（row + column）」的電極模式，結果大大減少所需的接駁線路數量，減省成本之餘更成功解決了現有傳感器普遍存在的信號串擾問題。

成功將豆腐抓住而不捏碎

研究團隊進行實驗測試技術的應用。結果裝有觸覺傳感器的機械手由於得到實時的反饋，適時調整力度，成功將易碎的豆腐抓住而沒有捏碎。相反，未裝有觸覺傳感器的機械手就捏碎了豆腐。這顯示出技術應用於人機界面的巨大潛力，並促進了智能假肢和機械手的發展，更或可被工業界用以處理柔軟和易碎的產品。 

^{裝有觸覺傳感器的機械手成功將豆腐抓住而沒有捏碎。（楊博士團隊提供）}

^{未裝有觸覺傳感器的機械手則捏碎了豆腐。（楊博士團隊提供）}

或能為皮膚受損者重建觸覺

此外，技術也或能用於重建人類觸覺系統，例如嘗試令皮膚受損者及截肢者重拾觸覺。而且團隊研發的傳感器還可以協助監測人體的健康狀況，實驗證明能準確檢測出微弱的脈搏。楊博士更透露，在實驗中他們的技術靈敏得可以檢測到微小昆蟲例如蜘蛛的急速移動。

楊博士總結道：「我們的研究補足了現有傳感器在實時感測和區分各種刺激上的技術不足，並為傳感器的設計和大面積可擴展製造帶來啟示。」這種實時區分不同刺激的技術用途廣泛，可用於電子皮膚、健康監測和機器人。

楊博士與哈爾濱工業大學（深圳）的胡泓教授是論文的共同通訊作者。論文的共同第一作者是來自香港城大MNE的研究助理林偉康和博士生王標。其他聯合作者包括同樣來自MNE的博士生單堯和哈爾濱工業大學（深圳）的研究人員。

研究獲得香港城大、香港研究資助局和國家自然科學基金會的資助進行。

DOI number: 10.1002/advs.202002817