研究背景
在人工智能與機器人技術快速發展的背景下，觸覺感知系統作為機器人與環境進行智能交互的關鍵接口，其重要性日益凸顯。傳統觸覺傳感器雖然能在常溫環境下有效工作，但在高溫等極端環境中往往難以保持穩定性能，這嚴重制約了機器人在特殊工況下的應用。摩擦納米發電技術憑借其獨特的工作機理，為開發新型環境適應性觸覺傳感器提供了創新途徑。
在這一技術革新中，紙基摩擦電材料展現出獨特的優勢和廣闊的應用前景。紙張作為性能優異的摩擦電材料，不僅具備可再生、可降解、生物相容等環境友好特性，更重要的是，其分子結構中β-D-吡喃葡萄糖環上豐富的羥基賦予了材料優異的極化性能及其本征耐高溫特性，這些特點使紙基摩擦電材料在高溫觸覺傳感領域具有不可替代的優勢，有望成為替代傳統石油基合成聚合物的理想選擇，為解決高溫環境下的觸覺感知難題提供全新的材料基礎和技術方案。
文章概述
近日，廣西大學劉艷華等人設計了一種超越人類觸覺感知的極端環境自適應的摩擦電傳感器。利用高溫下穩定的纖維素摩擦電材料，設計了可獨立輸出雙重信號的非對稱結構，實現了高溫下壓力與熱刺激的并行感知。這項成果以題為“Triboelectric tactile sensor for pressure and temperature sensing in high-temperature applications”發表在了《Nature Communications》上。廣西大學為唯一完成單位，2022級博士生劉艷華為本研究第一作者，聶雙喜教授為通訊作者，王金龍、劉濤、韋芷婷、羅斌、遲明超、張松、蔡晨晨、高聰、趙桐等同學參與研究。
圖文導讀
1 摩擦電傳感器的仿生靈感
撒哈拉銀蟻是一種能夠在高溫環境中保持多感官知覺的昆蟲，這種對惡劣環境下的適應能力為高溫環境下觸覺傳感器的設計提供了靈感。此外，人類皮膚通過機械和溫度感受器來區分機械和熱刺激，從而實現對觸摸和溫度刺激的大小和位置的時空識別，以確保與復雜環境的安全有效的人機交互。當皮膚因機械力變形與溫度刺激時，對應的離子通道打開，離子流動，從而形成生理電信號。受此啟發，利用外界刺激下摩擦電荷發生轉移進而產生電信號的優勢，設計了極端環境自適應的壓力/溫度響應的摩擦電傳感器。
圖1. 仿生原理示意圖
2 極端環境自適應摩擦電觸覺傳感器的設計
該觸覺傳感器由感知壓力的摩擦納米發電機（P-TENG）和感知溫度的摩擦納米發電機（T-TENG）組成。多模態傳感器利用T-TENG有限的接觸面積避免了力的干擾，且通過雙層結構與熱穩定的材料屏蔽了熱刺激對信號輸出的破壞。單電極模式運行的每層傳感器產生獨立的信號，從而能清晰、無干擾的采集并區分觸覺與溫度的電信號，展現出靈敏與耐高溫特性，為極端環境下的多種刺激響應提供了可能。將微型傳感器通過激光打印的柔性可拉伸電極組裝在機械手上，展示了摩擦電觸覺傳感器在物體多模態感知和信息反饋的應用。
圖2. 超越人類觸覺感知的極端環境自適應壓力/溫度響應摩擦電傳感器
3 壓力響應行為
通過兩步封裝策略設計了結構不對稱的雙層傳感器以實現壓力與溫度的同時感測。本工作將結構不對稱的彈性硅膠作為外殼實現壓力刺激的快速響應。進一步制備了不同尺寸的傳感器，研究發現摩擦電性能隨著尺寸增加呈線性增長。對P-TENG施加壓力，應力壓縮與恢復的響應時間分別為70ms和 58ms，遠遠快于人類對觸覺刺激的響應時間（139ms）。當壓力小于8.36kPa時，摩擦電信號的靈敏度為9.21kPa?1。在200°C進行2000次循環測試后，傳感器的輸出性能沒有明顯變化，證明了P-TENG的耐用性和魯棒性。
圖3. 壓力傳感
4 溫度響應行為
表面平整的具有優異熱穩定性的纖維素膜與FEP分別作為正負摩擦電材料，受環境溫度的刺激，材料儲存的電荷發生無序耗散，輸出電壓下降。T-TENG傳感器靈敏度的線性度為0.997，且表現出壓力不敏感性。傳感器信號隨著溫度的變化表現出高度一致性，并且在加熱-冷卻循環期間觀察到高度可重復的輸出電壓，證明了傳感信號對環境溫度的實時自適應性。T-TENG傳感器具有寬范圍及超越人類皮膚的溫度傳感能力（25-200°C），優于文獻中報道的自供電溫度傳感器，為極端環境下的溫度感知及人機交互等領域的發展提供了機會。
圖4. 溫度傳感
5 壓力-溫度多模態傳感
在實際應用中需要同時和獨立地檢測多個刺激，這要求傳感器對耦合信號具有低的交叉干擾和穩定的解耦能力。與理論結果相比，P-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于0.4%，T-TENG受溫度影響的交叉耦合誤差小于3.2%。多模態摩擦電傳感器的線性依賴性構建的特征矩陣用于多重信號的穩定解耦。演示了摩擦電傳感器在多重耦合刺激復雜場景中的實時響應，驗證了摩擦電傳感器對溫度和壓力信號具有低交叉敏感性。
圖5. 在單個摩擦電傳感器中實現壓力-溫度解耦和雙峰傳感
6 高溫環境下的實時物體識別
將傳感器集成在機械手的五個指尖上構成智能觸覺系統，進行未知物體的識別。該系統可遠程控制機械手同步模擬手的各種運動，向用戶提供空間分布的觸覺反饋，為代替人類在復雜極端環境下執行潛在的危險任務提供了思路。機械手內側的摩擦電傳感器抓握不同溫度和形狀的物體時，獲取完全不同的信號。由于抓握習慣，每個指尖的個數及用力大小不同，輸出信號也不盡相同。將神經網絡學習與觸覺傳感器相結合，傳感系統顯示出優異的識別性能，平均識別準確率達到了94%。
圖6. 高溫環境下的觸覺感知
結論
總之，這項工作展示了一種適用極端環境的壓力/溫度響應超越人類觸覺感知范圍的摩擦電觸覺傳感器。該觸覺傳感器基于摩擦納米發電機技術，利用高溫下穩定的纖維素摩擦電材料，設計了可獨立輸出雙重信號的非對稱結構，以實現高溫環境下的多種刺激響應。該設備實現了無外電源供應的實時數字化響應，并且尺寸可自由切換的特點有利于可擴展集成。結合機器學習技術可以進一步在高溫環境下準確識別物體的形狀和溫度。所提出的自供電多模態的傳感系統為尖端人機交互的發展提供了設計思路。然而，這項工作仍處于初步研究階段，可以通過多學科交叉融合進一步實現極端環境下的復雜應用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55771-0
