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【纳米】聂双喜教授团队Nat. Commun.：纸做的触觉传感器

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2025-01-16 08:09

正文

在人工智能与机器人技术快速发展的背景下，触觉感知系统作为机器人与环境进行智能交互的关键接口，其重要性日益凸显。传统触觉传感器虽然能在常温环境下有效工作，但在高温等极端环境中往往难以保持稳定性能，这严重制约了机器人在特殊工况下的应用。摩擦纳米发电技术凭借其独特的工作机理，为开发新型环境适应性触觉传感器提供了创新途径。

在这一技术革新中，纸基摩擦电材料展现出独特的优势和广阔的应用前景。纸张作为性能优异的摩擦电材料，不仅具备可再生、可降解、生物相容等环境友好特性，更重要的是，其分子结构中β-D-吡喃葡萄糖环上丰富的羟基赋予了材料优异的极化性能及其本征耐高温特性，这些特点使纸基摩擦电材料在高温触觉传感领域具有不可替代的优势，有望成为替代传统石油基合成聚合物的理想选择，为解决高温环境下的触觉感知难题提供全新的材料基础和技术方案。

近日， 广西大学刘艳华 等人设计了一种超越人类触觉感知的极端环境自适应的摩擦电传感器。利用高温下稳定的纤维素摩擦电材料，设计了可独立输出双重信号的非对称结构，实现了高温下压力与热刺激的并行感知。这项成果发表在 Nature Communications 上。广西大学为唯一完成单位，2022级博士生 刘艳华 为本研究第一作者， 聂双喜 教授为通讯作者， 王金龙、刘涛、韦芷婷、罗斌、迟明超、张松、蔡晨晨、高聪、赵桐 等同学参与研究。

1. 摩擦电传感器的仿生灵感

撒哈拉银蚁是一种能够在高温环境中保持多感官知觉的昆虫，这种对恶劣环境下的适应能力为高温环境下触觉传感器的设计提供了灵感。此外，人类皮肤通过机械和温度感受器来区分机械和热刺激，从而实现对触摸和温度刺激的大小和位置的时空识别，以确保与复杂环境的安全有效的人机交互。当皮肤因机械力变形与温度刺激时，对应的离子通道打开，离子流动，从而形成生理电信号。受此启发，利用外界刺激下摩擦电荷发生转移进而产生电信号的优势，设计了极端环境自适应的压力/温度响应的摩擦电传感器。

图1. 仿生原理示意图

2. 极端环境自适应摩擦电触觉传感器的设计

该触觉传感器由感知压力的摩擦纳米发电机（P-TENG）和感知温度的摩擦纳米发电机（T-TENG）组成。多模态传感器利用T-TENG有限的接触面积避免了力的干扰，且通过双层结构与热稳定的材料屏蔽了热刺激对信号输出的破坏。单电极模式运行的每层传感器产生独立的信号，从而能清晰、无干扰的采集并区分触觉与温度的电信号，展现出灵敏与耐高温特性，为极端环境下的多种刺激响应提供了可能。将微型传感器通过激光打印的柔性可拉伸电极组装在机械手上，展示了摩擦电触觉传感器在物体多模态感知和信息反馈的应用。

图2. 超越人类触觉感知的极端环境自适应压力/温度响应摩擦电传感器

3. 压力响应行为

作者通过两步封装策略设计了结构不对称的双层传感器以实现压力与温度的同时感测。本工作将结构不对称的弹性硅胶作为外壳实现压力刺激的快速响应。进一步制备了不同尺寸的传感器，研究发现摩擦电性能随着尺寸增加呈线性增长。对P-TENG施加压力，应力压缩与恢复的响应时间分别为70 ms和 58 ms，远远快于人类对触觉刺激的响应时间（139 ms）。当压力小于8.36 kPa时，摩擦电信号的灵敏度为9.21 kP a ⁻¹ 。在200°C进行2000次循环测试后，传感器的输出性能没有明显变化，证明了P-TENG的耐用性和鲁棒性。

图3. 压力传感

4. 温度响应行为

表面平整的具有优异热稳定性的纤维素膜与FEP分别作为正负摩擦电材料，受环境温度的刺激，材料储存的电荷发生无序耗散，输出电压下降。T-TENG传感器灵敏度的线性度为0.997，且表现出压力不敏感性。传感器信号随着温度的变化表现出高度一致性，并且在加热-冷却循环期间观察到高度可重复的输出电压，证明了传感信号对环境温度的实时自适应性。T-TENG传感器具有宽范围及超越人类皮肤的温度传感能力（25-200 °C），优于文献中报道的自供电温度传感器，为极端环境下的温度感知及人机交互等领域的发展提供了机会。

图4. 温度传感

5. 压力-温度多模态传感

在实际应用中需要同时和独立地检测多个刺激，这要求传感器对耦合信号具有低的交叉干扰和稳定的解耦能力。与理论结果相比，P-TENG受温度影响的交叉耦合误差小于0.4%，T-TENG受温度影响的交叉耦合误差小于3.2%。多模态摩擦电传感器的线性依赖性构建的特征矩阵用于多重信号的稳定解耦。演示了摩擦电传感器在多重耦合刺激复杂场景中的实时响应，验证了摩擦电传感器对温度和压力信号具有低交叉敏感性。

图5. 在单个摩擦电传感器中实现压力-温度解耦和双峰传感

6. 高温环境下的实时物体识别

将传感器集成在机械手的五个指尖上构成智能触觉系统，进行未知物体的识别。该系统可远程控制机械手同步模拟手的各种运动，向用户提供空间分布的触觉反馈，为代替人类在复杂极端环境下执行潜在的危险任务提供了思路。机械手内侧的摩擦电传感器抓握不同温度和形状的物体时，获取完全不同的信号。由于抓握习惯，每个指尖的个数及用力大小不同，输出信号也不尽相同。将神经网络学习与触觉传感器相结合，传感系统显示出优异的识别性能，平均识别准确率达到了94%。

图6. 高温环境下的触觉感知

结论

总之，这项工作展示了一种适用极端环境的压力/温度响应超越人类触觉感知范围的摩擦电触觉传感器。该触觉传感器基于摩擦纳米发电机技术，利用高温下稳定的纤维素摩擦电材料，设计了可独立输出双重信号的非对称结构，以实现高温环境下的多种刺激响应。该设备实现了无外电源供应的实时数字化响应，并且尺寸可自由切换的特点有利于可扩展集成。结合机器学习技术可以进一步在高温环境下准确识别物体的形状和温度。所提出的自供电多模态的传感系统为尖端人机交互的发展提供了设计思路。然而，这项工作仍处于初步研究阶段，可以通过多学科交叉融合进一步实现极端环境下的复杂应用。

【纳米】聂双喜教授团队Nat. Commun.：纸做的触觉传感器

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