機器之心報道
機器之心編輯部
在觸覺傳感器與執(zhí)行器綜述中，我們已經(jīng)大致了解騰訊 Robotics X 實驗室在這兩個領域的探索及成果。本文將對該實驗室在觸覺傳感器領域的成果進行技術剖析，詳解實現(xiàn)方式、具體效果、研究意義以及潛在應用。
智能機器人要走進家庭，與人類安全地交互、靈巧操作各種物體，觸覺感知是基礎。觸覺傳感器相當于機器人的電子皮膚，通過測量傳感器與環(huán)境的物理交互產(chǎn)生的信息，模仿生物皮膚的觸覺感知，是機器人實現(xiàn)智能化的必備條件。
觸覺傳感器根據(jù)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，它們的原理、優(yōu)點和應用各有不同。
壓阻型觸覺傳感器：利用電阻的變化實現(xiàn)對外力的傳感，具有結構簡單、集成和輸出數(shù)據(jù)容易等優(yōu)點。電容型觸覺傳感器：傳統(tǒng)的電容型觸覺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現(xiàn)傳感功能。這種傳感器因其結構簡單、動態(tài)響應好以及功耗低等優(yōu)點在可穿戴和醫(yī)療保健設備中被廣泛應用。壓電型觸覺傳感器：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、脈搏跳動等動態(tài)壓力的檢測。摩擦電型觸覺傳感器：主要基于兩種物質互相摩擦時接觸表面產(chǎn)生電荷引起電信號的變化，主要用于自供電的柔性觸覺傳感器。
騰訊 Robotics X 實驗室與合作高校在壓阻型、摩擦電納米發(fā)電機（TENG 型）和電容型觸覺傳感器領域發(fā)表了多篇代表性論文，并被 Science Advances、Nature Communications 和 ACS Nano 期刊收錄，接下來一一進行解讀。
柔性壓阻型觸覺傳感器陣列：開發(fā)智能機器人觸控系統(tǒng)
壓阻型是柔性觸覺傳感器的主要類型之一，尤其適合構建具有高空間分辨率的大型觸覺傳感器網(wǎng)絡。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，但在實踐中因材料融合問題導致 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，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，以實現(xiàn)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，開發(fā)一個智能機器人觸控系統(tǒng)，在硬件中實現(xiàn)高達 98.8% 和 97.3% 的手寫數(shù)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)性優(yōu)秀。論文被 ACS Nano 收錄。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06432
設計思路與技術細節(jié)
PRF 自形成微結構的表面粗糙度為 8~10 μm，這一規(guī)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傳感器陣列，可以進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(tǒng)。
圖 I-1。
如上文所述，MWCNTs 和 TPU 的復合材料被用來合成高性能 PRF，并通過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，以實現(xiàn)高濃度 MWCNTs（至少 14%）并均勻地混合到 TPU 彈性體中，同時避免了 MWCNTs 團聚問題。
下圖 I-2 a 展示了 PRF 的結構，分為兩個不同的區(qū)域，一是具有粗糙表面形態(tài)的上區(qū)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(qū)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 進一步研究了 PRF 薄膜的橫截面，其中清晰可見兩個不同的區(qū)域。
圖 I-2。
PRF 的上區(qū)域主要是 TPU 包裹的 MWCNTs，而下區(qū)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 展示了測試中多個循環(huán)的放大效果。研究者更是對另一個 PRF 樣品進行 3000 次循環(huán)的測試，驗證 PRF 具有很強的耐用性和穩(wěn)健性。圖 I-3 h 中使用 PRF 壓力傳感器（6% 濃度的 MWCNTs）進行人體脈搏監(jiān)測實驗，以展示其超高的靈敏度。
圖 I-3。
研究者開發(fā)的 PRF 具有出色的壓力傳感特性并成為高性能觸覺傳感器的絕佳選擇。除了常規(guī)正向壓力檢測外，PRF 還可以被組裝成一個陣列，并通過計算陣列中每個傳感器上施加的壓力來檢測力的方向。
識別蜜蜂足跡、手寫數(shù)字和漢字分類
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 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的壓力圖之外，收集的傳感器數(shù)據(jù)還可以幫助識別數(shù)據(jù)表示的模式。通過進一步將傳感器陣列與 AI 硬件集成，并利用深度學習算法進行高效數(shù)據(jù)處理，從而在顯著降低功耗和延遲的情況下實現(xiàn)未來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，構建了一個用于智能機器人觸控的觸覺硬件系統(tǒng)原型，用于采集和識別手寫數(shù)字或漢字等字符。圖 I-5 b 展示了所采用的一款全系統(tǒng)集成的 CIM 芯片，采用 130nm CMOS 工藝制成，圖 I-5 c 展示使用約 160k 的憶阻器實現(xiàn) 784×100×10 的多層感知機（MLP）。在寫入一個數(shù)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 張手寫數(shù)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%，與軟件模擬中實現(xiàn)的數(shù)值相當。
除手寫數(shù)字之外，研究者使用壓力傳感器陣列以類似的方式收集更復雜的字符圖案（例如漢字）并進行分類識別。他們選取九個漢字（清華大學微納電子系），通過在 64×64 傳感器陣列上書寫收集了 900 張圖像（每個漢字 100 張）的數(shù)據(jù)集。結果顯示，這些漢字的分類準確率達到 97.3±1.0%。
圖 I-5。
柔性 TENG 式觸覺傳感器：自供電無線傳感電子貼紙
在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)連通萬物的過程中，基于電磁波的無線傳感技術面臨著挑戰(zhàn)。如下圖 II-1 所示，當前無線系統(tǒng)包含傳感、信號調制、無線傳輸以及供能與能量管理四個模塊，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解決柔體 - 剛體接口問題，但大多數(shù)仍由本質上剛性的組件或設備組成，限制了電子皮膚和可植入醫(yī)療設備等應用場景。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，給實施和維護造成不便，引起可持續(xù)性和環(huán)境問題。
圖 II-1。
這時，新興的摩擦納米發(fā)電機（TENG）技術進入了視野，它可以通過額外的位移電流項來觸發(fā)無線信號的產(chǎn)生和傳輸。TENG 可以同時高效地捕獲機械能和運動信號，無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 TENG 收集的典型動能輕松實現(xiàn)，使設備完全自供電。
在與香港中文大學合作的論文《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)一種自供電無線傳感電子貼紙（SWISE），它可以將上述所有模塊的功能集成在一個微型單元中，如下圖 II-2 左所示。為了實現(xiàn)放電感應信號的產(chǎn)生，兩個具有放電尖端的鏡像對稱金屬電極夾在基底膜和摩擦電荷層膜之間，F(xiàn)EP 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）、小（低至 9 mm x 9 mm）、輕（低至 16 mg）、柔軟、可變形等特點。與以往各種工作相比，SWISE 通過擊穿放電產(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，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現(xiàn)自供電，無需任何外部電源輸入。同時，通過區(qū)分不同設計參數(shù)和氣體成分產(chǎn)生的信號來實現(xiàn)多點運動傳感和氣體傳感的能力。得益于多點傳感能力，SWISE 的量產(chǎn)可用于自供電無線鍵盤和智能腕帶等應用。
圖 II-2。
SWISE 的原理、系統(tǒng)評估與氣體環(huán)境實驗
SWISE 的工作原理是這樣的：在手指輕輕滑動的驅動下，無需任何外部電源即可通過放電過程將輸入的運動信號直接轉換為電磁信號，展現(xiàn)完全自供電能力。當被觸發(fā)時，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，在尖端周圍具有最高值，如下圖 II-3 A 中的 COMSOL 模擬結果所示。同時強電場產(chǎn)生擊穿放電，幅度和上升時間由 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，因而感應到無線電磁信號。
接著生成的無線信號通過連接到示波器（作為接收器）的遠程線圈來捕獲和測量。典型信號的時間響應如圖 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(shù)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，研究者在一個獨立滑動式 TENG（FS-TENG）上連接兩個尖端電極進行放電（即擊穿放電器）。FS-TENG 由固定在光學平臺上的線性馬達驅動，其滑塊移動距離、速度、加速度可被精確。而當通過滑動運動部件觸發(fā) FS-TENG 時，產(chǎn)生了電場并實現(xiàn)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線信號，并且在每個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，并可能影響無線信號。基于此，研究者系統(tǒng)研究了氣體類型的影響，實驗平臺如下圖 II-4 A 所示。為了創(chuàng)建一個純凈的氣體環(huán)境，擊穿放電器被放置在一個由 FS-TENG 驅動的腔室中。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。過程中，通過重復擊穿放電收集這 10 種氣體環(huán)境的數(shù)據(jù)，每種收集 100 組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)都是電壓 - 時間波形，共包含大約 2500 個數(shù)據(jù)點。
在分析過程中，研究者使用深度學習方法。通過建立雙向長短期記憶模型，對不同氣體環(huán)境的數(shù)據(jù)進行分析以識別氣體。每種氣體環(huán)境的 100 個數(shù)據(jù)集隨機分為兩組，80 個用于訓練，20 個用于測試。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，研究者預測深度學習方法可以用來區(qū)分來自腔內具有不同氣體成分的多個 SWISE 的無線信號，這可能實現(xiàn)對 SWISE 傳感陣列的氣體傳感和多點運動傳感能力。
圖 II-4。
無線運動傳感、自供電無線柔性鍵盤和智能腕帶
得益于重量輕、靈敏度高、成本低、柔性和可變形等特點，SWISE 可以廣泛應用于信號傳感和傳輸，無需額外供電。研究者展示了一些自供電無線傳感應用。
首先 SWISE 制備成電子皮膚，用于檢測運動并即時傳輸放電感應的電磁波信號，具有傳輸距離遠的優(yōu)點。如下圖 II-5 A 所示，無線電磁信號可以被遠距離傳輸超過 10m 的接收器檢測到，其中 SWISE 由手指的輕柔運動驅動。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，如圖 II-5 C 所示。
在圖 II-5 D 中，經(jīng)過線圈和信號處理電路，手指滑動以驅動 SWISE 產(chǎn)生的無線信號能開啟基于 LED 的照明系統(tǒng)，以驗證其高靈敏度。最后，圖 II-5 E 還展示了基于 SWISE 的柔性鍵盤和智能腕帶系統(tǒng)。
圖 II-5。
憑借無線傳感技術的完全自供電能力、最小尺寸和最長有效傳輸距離，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(yī)療保健、智能家居、智慧城市、工業(yè) 4.0 等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
柔性電容式觸覺傳感器：實現(xiàn)傳感器 - 軟機器人無縫集成
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能夠獲得感官功能，通過引入新的設計（如界面微結構）或者將導電填料摻雜到介電層中，此類器件的性能得到顯著改善。電子皮膚設備可以對機械刺激做出響應，并使機器人感知周圍環(huán)境。不過現(xiàn)有電子皮膚面臨一個長期挑戰(zhàn)，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(wěn)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構建強韌界面。
針對這些挑戰(zhàn)，在與南方科技大學合作的論文《Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces》中，研究者開發(fā)出一款基于聚二甲基硅氧烷 - 碳納米管（PDMS-CNTs）準均質復合材料的柔性壓力傳感器，這種設計有效避免了異質結構之間的力學失配。通過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，實現(xiàn)傳感器與軟體機器人的無縫集成。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(tǒng)多層、多材結構的電子皮膚示意圖，各功能材料層通過簡單的堆疊組裝而成。這類結構的器件服役于含有剪切等復雜工況時，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(xiàn)傳感信號穩(wěn)定性下降甚至失效風險。歸結原因在于其多層、多材結構的機械及兼容失配。
與傳統(tǒng)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 同質材料組成，力學模量近似，避免了機械失配問題；同時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行溶脹（圖 III-1 e）。接著按順序堆疊溶脹后的功能層，在 20 kPa 的預壓力下進行固化（圖 III-1 f）。隨著 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，并與原有 PDMS 網(wǎng)絡的分子鏈發(fā)生拓撲纏結，實現(xiàn)了具有強粘合界面層的一體式結構（圖 III-1 g）。確切地說，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。
得益于整個體系的均質材料體系，各功能層都表現(xiàn)出了相似的力學性能。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引起力學失配。
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(wěn)定局部的界面，避免連續(xù)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 觀察，表現(xiàn)出穩(wěn)定的結合界面，這進一步證實了微結構界面的韌性和穩(wěn)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，靈敏度為 0.15 kPa^?1；當壓力在 47 和 214 kPa 之間時，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受到材料粘彈性和表面結構的影響，研究者通過施加、保持和移除 1.1 kPa 的壓力來測試傳感器（面積為 7 mm × 7 mm）的響應和松弛時間，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(xiàn)出了 2.5 的恒定應變系數(shù)，如圖 III-3 c 所示。圖 III-3 d 表明摻雜 CNT（2 wt%）顯著增加了介電層的相對介電常數(shù)，并使它高度依賴于壓力。隨著壓力從 0 增加到 460 kPa，該常數(shù)從 19.8 增加到 114。表明電容增大一部分是由介電層電學性能變化貢獻的。
為了進一步闡明壓力傳感機制，研究者通過微結構界面的變形仿真，并使用圖 III-3 e 展示的簡化電路模型計算了單個單元的電容。結果顯示，電容變化是微塔結構和摻雜 CNT 介電層電學性能變化的協(xié)同效應，其中高壓區(qū)（壓力 > 200 kPa）的響應主要來自局部微觀結構變形，而低壓響應主要來自摻雜 CNT 導致的介電常數(shù)變化。
圖 III-3。
該傳感器在循環(huán)加卸載下表現(xiàn)出了高穩(wěn)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(wěn)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，信號波形或幅度沒有明顯變化。同時通過施加 5 kPa 的重復剪切應力 10000 個循環(huán)來測試信號穩(wěn)定性，同樣沒有觀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(wěn)定性展示
研究者將器件貼附于一輛轎車的輪胎表面（面積 10 mm×40 mm），如下圖 III-4 a 所示，通過高速行駛時輪胎與地面產(chǎn)生的動態(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。同時對比商用壓力傳感器在汽車行駛過程中的信號穩(wěn)定性。如圖 III-4 d 所示，當汽車以 22 km·h^-1 的平均速度行駛時，電容信號在至少 2.6 km（或 1102 轉）范圍內保持穩(wěn)定。信號的高穩(wěn)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(zhàn)，經(jīng)過 0.5 km 后傳感功能失效，這進一步證明，具有粘合界面、力學適配設計的新型傳感器件能夠在類似的極端復雜工況下長期穩(wěn)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，進而實現(xiàn)與人類或環(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題。因此，將傳感器矩陣嵌入機器人中等類似設計將有助于實現(xiàn)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題表現(xiàn)出極高潛力。
下圖 III-5 a 展示了一個軟夾具，研究者在其表面集成了八個傳感器。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 - 傳感器層間界面實現(xiàn)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）時的壓力分布圖。
研究者還對電容信號的穩(wěn)定性進行了進一步測試。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。重復該過程 1000 次之后沒有觀察到明顯的信號變化，而對照傳感器由于沒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)時便出現(xiàn)了分層現(xiàn)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 - 釋放娃娃的動態(tài)過程中的電容和電阻響應。在初始狀態(tài)下，軟夾具完全打開以抓取大件物品，并對傳感器施加了拉伸應變。在接觸和抓握娃娃時，電容急劇增加，電阻也會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，并在釋放時落下（圖 III-5 j）。這表明該傳感器件能夠實現(xiàn)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景。
圖 III-5。
綜上所述，研究者提出 同質 設計思路，在單一材料體系內通過電學調控，獲得力學適配、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，通過小分子擴散，引入原位聚合的交聯(lián)拓撲網(wǎng)絡粘結層，制備的一體式粘合封裝柔性壓力傳感器，在如汽車碾壓極端工況下（~300 kPa 壓應力和~ 6 kPa 剪切應力耦合作用），仍能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定傳感功能。該電容式傳感器由準均質材料組成，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，實現(xiàn)了多材料、多結構界面的共融構筑。同質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失配問題，達到材料 - 材料的共融設計，該策略對后續(xù)電子皮膚在智能制造、健康監(jiān)測等領域中復雜受力模式下的可靠穩(wěn)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 實驗室在觸覺傳感器領域還有其他工作，想要了解更多細節(jié)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、騰訊 Robotics X 實驗室等論文鏈接：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：清華大學深圳國際研究生院、騰訊 Robotics X 實驗室等論文鏈接：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、騰訊 Robotics X 實驗室等論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321001328f0030
