■文/朱宏偉

毫無疑問，觸覺傳感器將朝著更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向發(fā)展，其適用邊界也將極大地拓寬，在更多領(lǐng)域發(fā)揮更加不可替代的作用。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對智能機器人的應(yīng)用場景有了更多的想象和更大的期待。下一代機器人不同于傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，它們將在可穿戴設(shè)備、外太空探索、先進(jìn)醫(yī)療檢測等領(lǐng)域大顯身手。它們依靠各種各樣的傳感器感覺和分析環(huán)境，從而擁有類似于人類的感官。智能觸覺傳感器就像人的手一樣至關(guān)重要，因為它不僅讀取如位置、溫度和形狀等物理特征，也可以通過感覺硬度、壓力來執(zhí)行各種操作。

觸覺傳感器是機器人感知外部環(huán)境的重要媒介，它對機器人正確地操作目標(biāo)物體極其重要。在機器人靈活自如運動的前提下，要求觸覺傳感器能夠準(zhǔn)確地感知外部環(huán)境，以便實現(xiàn)對目標(biāo)物體的各種精準(zhǔn)操作。迄今為止，觸覺感知機理、觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識別、傳感器實用化等都已成為國內(nèi)外科研團(tuán)隊的研究熱點。

觸覺傳感器的發(fā)展歷程

早在20世紀(jì)70年代，國外的機器人研究已成為熱點，但是觸覺傳感技術(shù)的研究才剛剛開始。當(dāng)時對觸覺的研究僅限于與對象的接觸與否、接觸力大小，雖有一些好的設(shè)想但研制出的傳感器很少且設(shè)計非常簡單。20世紀(jì)80年代是機器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長期。在此期間，傳感器研制、觸覺數(shù)據(jù)處理、主動觸覺感知等得到大力發(fā)展，此后有許多物理傳感器開始應(yīng)用于觸覺傳感領(lǐng)域，其突出特點是以傳感器裝置研究為中心，面向工業(yè)自動化。

5類觸覺傳感器的優(yōu)缺點比較

近年來，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的不懈努力，很多新型的觸覺傳感器及觸覺信號處理方法被研制出來。2008年，日本京都大學(xué)的研究團(tuán)隊設(shè)計了一種壓電三維力觸覺傳感器，將其安裝在機器人靈巧手指端，應(yīng)用于外科手術(shù)。2009年，德國菲勞恩霍夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院的科研人員研制出擁有新型觸覺系統(tǒng)的章魚水下機器人，可精確地感知障礙物狀況，完成海底環(huán)境的勘測工作。最近，美國卡耐基-梅隆大學(xué)的計算機團(tuán)隊研發(fā)出一款結(jié)合視覺和觸覺的新一代工業(yè)機器人“Baxter”?！癇axter”機器人能夠?qū)崿F(xiàn)抓取動作，通過觸覺感知物體是否滑動來控制握力，從而完成一系列抓取動作，例如剝香蕉皮等。

觸覺傳感器的分類

觸覺類傳感器研究有廣義和狹義之分。廣義的觸覺包括觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等。狹義的觸覺包括機械手與對象接觸面上的力感覺。從功能的角度分類，觸覺傳感器大致可分為接觸覺傳感器、力－力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。

近年來，主流觸覺傳感器根據(jù)其作用原理主要分為5類。

（1）電容式觸覺陣列傳感器。其原理是外力使極板間的相對位移發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化，通過檢測電容變化量來測量觸覺力。

（2）電感式觸覺傳感器。它是利用電磁感應(yīng)原理把壓力作用轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。

（3）光電式觸覺傳感器。它是基于全內(nèi)反射原理進(jìn)行研制的，通常由光源和光電探測器構(gòu)成。當(dāng)施加在界面上的壓力發(fā)生變化時，傳感器敏感元件的反射強度和光源頻率也會相應(yīng)發(fā)生變化。

（4）壓阻式觸覺傳感器。它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的器件，其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。

（5）壓電式觸覺傳感器。在壓力作用下壓電材料兩端面間出現(xiàn)電位差；反之，施加電壓則產(chǎn)生機械應(yīng)力。

上述傳感器由于簡單有效，在觸覺應(yīng)用中往往被優(yōu)先選用。隨著智能機器人、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的觸覺傳感器已難以滿足應(yīng)用需求，觸覺傳感器呈現(xiàn)出全局檢測、多維力檢測，以及微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。

觸覺傳感器的應(yīng)用

●工業(yè)制造

在工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，幾乎都需要傳感器進(jìn)行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對出現(xiàn)的異常節(jié)點進(jìn)行及時干預(yù)，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行。新一代的智能傳感器是智能工業(yè)的“心臟”，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)流程持續(xù)運行，并讓工作人員遠(yuǎn)離生產(chǎn)線和設(shè)備，保證人身安全和健康。例如，著名汽車制造商特斯拉、寶馬等的汽車制造車間幾乎空無一人，全靠工業(yè)機器人完成組裝、噴漆、檢測等工作。觸覺傳感器將賦予機器人更類似于人的觸覺，完成抓、握、捏、夾、推、拉等更多靈巧的作業(yè)，實現(xiàn)更多的功能。

●假肢

假肢可以使患者的某些行為功能得到恢復(fù)，然而，其觸覺恢復(fù)至今未能實現(xiàn)。觸覺傳感器的出現(xiàn)或許為截肢患者的觸覺恢復(fù)帶來新的曙光。長期以來，國內(nèi)外眾多研究團(tuán)隊一直致力于相關(guān)領(lǐng)域的研究。2015年，美國俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學(xué)的研究人員通過在假手使用者的手臂外圍神經(jīng)中連接壓力傳感器從而使其獲得了觸覺。2018年，美國斯坦福大學(xué)的鮑哲楠團(tuán)隊研發(fā)了幾乎完全透明且具有良好彈性的傳感器件。這種傳感器件甚至能清晰地感知一只蒼蠅或蝴蝶停留在其表面所造成的“觸覺”。

●可穿戴電子產(chǎn)品

近年來，隨著柔性電子相關(guān)技術(shù)的不斷突破和創(chuàng)新，可穿戴觸覺傳感設(shè)備得到了迅猛的發(fā)展。它們可模仿人與外界環(huán)境直接接觸時的觸覺功能，實現(xiàn)對力信號、熱信號和濕信號等的探測，是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢和輔助人類全面感知自然及自己的核心元件。

可穿戴觸覺傳感設(shè)備通常構(gòu)建在彈性基底或者可伸縮的織物上以獲得柔性和可伸縮性。隨著材料科學(xué)、柔性電子和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，器件的靈敏度、量程、規(guī)模尺寸以及空間分辨率等基礎(chǔ)性能提升迅速。為了適應(yīng)對力、熱、濕、氣體、生物、化學(xué)等多刺激分辨的傳感要求，器件設(shè)計更加精巧，集成方案也更加成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修復(fù)、自供能及可視化等實用功能的智能傳感器件相繼出現(xiàn)。同時，穿戴式電子產(chǎn)品朝著集成化方向發(fā)展，即針對具體應(yīng)用將觸覺傳感器與相關(guān)功能部件（如電源、無線收發(fā)模塊、信號處理、執(zhí)行器等）有效集成，從而不斷提高用戶體驗感。

盡管近年來觸覺傳感領(lǐng)域的研究獲得了眾多突破性的進(jìn)展，然而，其在實際應(yīng)用中仍然面臨很多挑戰(zhàn)，例如傳感器在反復(fù)變形過程中的性能退化，多維度、多刺激同時探測的串?dāng)_解耦，集成傳感系統(tǒng)內(nèi)部器件之間的力、熱、電性能匹配等。這些挑戰(zhàn)帶來了新的發(fā)展機遇，為相關(guān)材料制備、器件加工及系統(tǒng)集成指明未來的發(fā)展方向。毫無疑問，觸覺傳感器將朝著更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向發(fā)展，其適用邊界也將極大地拓寬，在更多領(lǐng)域發(fā)揮更加不可替代的作用。