吉林大学，辽宁材料实验室 ：研发受指纹启发的柔性双模触觉传感器，用于机器人接触和非接触感知

柔性电子技术和人工智能的快速发展极大地促进了柔性传感器在智能可穿戴设备和机器人交互感知等先进领域的广泛应用。对于机器人而言，手是与环境进行物理交互的关键终端。柔性传感器在这一界面发挥着不可或缺的作用，赋予机器人精细的触觉感知和灵巧的操作能力。特别是压力和湿度作为表征物理交互和环境条件的核心参数，对功能材料和器件结构提出了灵敏的响应和高效的信号转换要求，这已成为柔性传感器的研究热点。近年来，研究人员提出了多种基于不同机制的柔性压力和湿度传感器。例如，基于压电效应、压阻效应、电容效应和摩擦电效应的柔性压力传感器已被广泛应用于人体健康监测和机器人触觉感知。湿度传感器主要依赖于功能材料在不同湿度条件下电导率、介电常数和自供电行为的变化等机制，并常采用金属氧化物、碳基材料（例如碳纳米管、碳点、石墨烯）、亲水性聚合物和MXene作为敏感材料。这些电子器件的机械柔韧性和高性能响应使其成为各种应用中重要的传感元件。

随着智能机器人和人机交互系统对环境感知精度和实时响应的要求日益提高，单一的传感模式已无法满足复杂场景下多维信息采集的需求。就传感模式而言，压力传感代表接触式传感，湿度传感代表非接触式传感。压力传感提供直接的接触力学信息，而湿度传感则作为一种非接触先验信号，可以在物理接触之前感知接近的物体和环境条件。 虽然柔性压力传感器在接触力感知方面取得了显著进展，但对非接触式传感的研究仍然相对有限。非接触式传感能够在物理接触发生之前响应环境变化，这对于增强系统的环境适应性和交互式预测能力至关重要。对于压力传感，研究人员通常通过优化微结构来提高器件性能，例如金字塔形、微球形、多孔结构、蛇鳞状和蜻蜓颈状结构。然而，在湿度传感方面，一些已报道的基于金属氧化物的湿度传感器具有高阻抗（高达数十兆欧姆甚至更高），这导致信号采集困难、响应延迟以及需要复杂的阻抗匹配电路。因此，这增加了功耗和设计复杂性，使其不适用于高实时性的可穿戴应用。虽然已经报道了一些双模压力和湿度传感器，例如Wang等人提出的传感器。开发了一种基于 MXene 的双功能传感器，能够同时检测压力和湿度。该传感器的两个传感单元独立布置，导致器件尺寸较大，集成度较低。Ding 等人制备了一种基于多孔纤维的传感器，该传感器能够同时响应压力和湿度，但两种信号之间存在显著的相互干扰，难以实现压力和湿度信号的精确解耦和同步采集。尽管如此，柔性传感器在实现压力和湿度双模传感方面仍然面临诸多挑战，包括结构集成、信号串扰以及性能权衡等问题。

1. 本工作受指纹触觉放大机制和角质层吸湿膨胀的启发，开发了一种用于机器人指尖的柔性压力-湿度双模（PHB）传感器。该传感器利用共享基板实现了两种传感功能的单器件集成，有效克服了信号串扰，并实现了压力和湿度的有效解耦和独立检测。

2. 该传感器具有5.44 kPa⁻¹的高压力灵敏度和273 kPa的宽检测范围，而湿度传感单元则展现出159%的高湿度响应和0.85 s的快速响应时间。

3. 先进的制造技术（3D打印、直接墨水书写和磁控溅射）确保了PHB传感器具有优异的批次一致性。通过在复杂环境下进行物体识别和多参数生命体征检测，验证了其实用性。

图1. 用于机器人感知的柔性双模触觉传感器。(a) 指纹触觉感知示意图及角质层吸湿膨胀机制。(b) PHB 传感器的结构示意图。(c, d) PHB 传感器的压力和湿度传感机制。(e) PHB 传感器的应用演示。

图2. PHB 传感器的设计与表征。(a) PHB 传感器的整体结构示意图。(b) 湿度和压力单元的设计及机制。(c) PDMS/MWCNT 微结构图像。(d, e) PDMS/MWCNT 微结构的 LSCM 和 SEM 表征。(f) 湿度传感层的电子传输特性。(g) 湿度传感层的形貌和元素分布图。(h) 印刷在 PET 基底上的湿度传感电极阵列。

图 3. PHB 传感器压力传感性能表征。 (a) 压缩过程中压力传感层的应力分布和形貌演变。(b) 压力传感模块的电路示意图。(c) 电信号与压力的响应曲线。(d) PHB传感器的响应/恢复时间。(e) 1.47 h循环载荷下的稳定性测试。(f) 叠加静态压力和1.2 Hz动态压力下的响应曲线。

图4. PHB传感器的湿度传感机制和非接触式传感性能。(a) 湿度响应机制图。(b) 干燥和加湿条件下湿度传感材料的厚度表征（采用激光扫描共聚焦显微镜）。(c) 不同C-CNFs含量制备的湿度敏感材料的亲水性。(d) 电信号响应曲线与相对湿度(RH)的关系。(e) PHB传感器的湿度响应/恢复时间。(f) PHB传感器的湿度响应滞后曲线。(g) 连续非接触模式下的电阻耐久性评估。

图 5. PHB 传感器的信号解耦能力。(a) 不同施加压力下湿度传感层的相对电阻变化曲线。(b) 动态压力测试期间暴露空间配置示意图。(c) 低频压力加载 (0.65 Hz) 下的湿度响应特性。(d) 高频压力加载 (2.3 Hz) 下的湿度响应特性。(e) 传感器在动态压力操作下的湿度不敏感性测试。

图 6. PHB 传感器在物体识别中的应用演示。(a) 识别不同温度和材料成分的瓶装和罐装饮料。(b) 集成在机械手指上的 PHB 传感器，用于测试三种不同模量的材料样品（多孔海绵、高密度 EPE、硬质硅胶）。(c) 三种材料样品在相同压缩位移下的压力信号输出，其中峰值信号与材料模量相关。(d) 三种不同含水量（0%、25% 和 36%）的海绵样品。 (e) 三个海绵样品在相同压缩位移下的压力信号输出。(f) 三个海绵样品的非接触式湿度信号响应曲线，清晰地反映了含水量的差异。

图 7. PHB 传感器在生命体征检测中的应用演示。(a) 口呼气检测。(b) 不同频率的鼻呼气信号检测。(c) 对极微弱呼吸信号的感知能力。(d) 脉搏波检测。(e) 胸式呼吸检测。(f) 肌肉运动检测。(g) 用于未来复杂环境救援行动的集成 PHB 传感器的机器人概念图。