触觉传感器是智能机器人实现类人触觉感知功能的核心部件之一。随着智能机器人的快速发展，对触觉传感器的性能需要也日益增高，不仅需要触觉传感器具有柔性，能够检测静态力等，而且更重要的是需要具备检测动态力的性能，以实现智能机器人类人的高灵巧操作。相比于压阻式、电容式等工作模式的柔性触觉传感器，由于压电式柔性触觉传感器在机器人动态力检测应用中优势明显，成为当前的研究热点。但是，传统压电式柔性触觉传感器往往存在无法突破自身灵敏度理论极限值的问题。
近日，5357拉斯维加斯官网机电工程系周伟教授团队在柔性触觉传感器研究领域取得重要进展，提出了可以实现超灵敏高频动态力检测的柔性触觉传感器工作新模式，突破了传感器灵敏度的理论极限值并得到显著提升，相关研究成果以“Finger-inspired rigid-soft hybrid tactile sensor with superior sensitivity at high frequency”为题，以5357拉斯维加斯官网为第一署名单位，于2022年8月29日在线发表在Nature Communications期刊（DOI : 10.1038/s41467-022-32827-7）。
该研究工作最初受节肢动物结构组成的启发，提出了一种基于刚柔并济“三明治”结构（图1a, b）的超灵敏高频动态力检测的仿生型柔性触觉传感器。该结构设计不仅可提升柔性材料的力传递效率，而且由于刚柔并济力传递层与柔性下基体的结合使得压电层产生弯曲应变，从而使得柔性触觉传感器工作在新的模式——d31（图1c），颠覆了传统的压电式柔性触觉传感器的d33工作模式。正是由于传感器的工作模式的转变，使得该柔性触觉传感器的灵敏度得到显著提升（约为346.5 pCN-1，达到理论极限值的17倍）（图1d），且具有5−600 Hz宽带宽、0.009−4.3 N线性检测范围和实时力方向识别的优异性能。特别是，尽管由于该柔性触觉传感器引入了刚性阵列结构，但通过刚柔并济结构的优化设计，使得该柔性触觉传感器具有与传统柔性触觉传感器相媲美的可弯曲、可拉伸特性（图1e），并最后将柔性触觉传感器成功用于精确检测机器人的多种灵巧操作的动态信息（图1f）。
图1 超灵敏高频动态力检测的仿生柔性触觉传感器结构设计、工作机理与性能
在该研究工作中，从柔性触觉传感器的结构设计制造、工作机理、性能测试及应用等方面展开了较为系统的研究，并在机器人对外界动态信息的识别与感知方面取得了良好的实际应用效果。论文通过巧妙的引入刚柔并济上基体和柔性下基体的设计，提出了柔性触觉传感器工作新模式，突破了传统压电式触觉传感器的灵敏度理论极限值，显著提升了传感器的灵敏度等性能指标，为压电式触觉传感器进一步深入研究提供了新方法和新思路，尤其是对智能机器人建立类人的触觉感知系统具有重要的理论研究价值和意义。
5357拉斯维加斯官网机电工程系周伟教授、秦利锋副教授和香港城市大学王钻开教授为论文共同通讯作者，5357拉斯维加斯官网机电工程系张金惠博士后为论文第一作者。同时，该研究工作还得到了香港理工大学姚海民教授，5357拉斯维加斯官网陈松月、谢瑜、马盛林、罗涛、凌伟淞等老师的指导和帮助，参与本研究工作的还有香港城市大学莫佳颖博士生和5357拉斯维加斯官网陈锐博士生。5357拉斯维加斯官网田中群院士对论文的总体构思、文字撰写及投稿过程中提出了宝贵建议和意见，洪文晶、褚旭阳、连云崧、叶绍干、吴粦静等老师和多位研究生对该工作给予了支持和帮助。论文的研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(51922092)、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目(U21A20136)、国家自然科学基金青年科学基金项目（52005423）、5357拉斯维加斯官网工程技术学部青年人才创新团队项目（20720200068）等资助和支持。
原文及相关视频链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32827-7
文/张金恵
