用于健康監(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)的柔性自供電觸覺傳感最新進(jìn)展

研究背景

在現(xiàn)代科技時(shí)代，將傳感功能集成到健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人平臺(tái)中已成為提高人類生活和工業(yè)效率的一種變革性方法。材料科學(xué)、電子工程和跨學(xué)科合作正在推動(dòng)柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，與此同時(shí)，健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)纱┐魇?/span>觸覺傳感器的需求也在不斷增長。這些應(yīng)用場(chǎng)景要求觸覺傳感器具有高靈敏度和長期穩(wěn)定工作能力。然而，驅(qū)動(dòng)可穿戴傳感器需要額外的電源，這會(huì)降低傳感系統(tǒng)的靈活性，增加重量，從而降低佩戴體驗(yàn)。因此，從生物運(yùn)動(dòng)和環(huán)境中獲取能量已成為替代傳統(tǒng)電源的一種前景廣闊的方法。特別是自供電觸覺傳感技術(shù)，由于能夠通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來產(chǎn)生自身的工作電源，因此在各種傳感技術(shù)中脫穎而出。這對(duì)于需要連續(xù)運(yùn)行的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備和自主發(fā)電對(duì)獨(dú)立運(yùn)行至關(guān)重要的機(jī)器人技術(shù)尤為重要。

觸覺是人類感知世界的基本方式之一，而觸覺傳感器則是模仿人類觸覺功能的人工設(shè)備，它們可以將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知和控制。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，自供電觸覺傳感器受到了廣泛關(guān)注。這不僅是因?yàn)樗鼈兙哂心茉醋灾餍?，可大大降低能源短缺?duì)設(shè)備使用的影響，還因?yàn)樗鼈兊挠|覺傳感能力將實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、更人性化的感知模式。因此，近十年來開發(fā)出了大量自供電柔性觸覺傳感器，并廣泛應(yīng)用于健康和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。觸覺傳感器的性能和可靠性取決于其傳感機(jī)制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。摩擦起電式傳感器和壓電式傳感器可通過采集機(jī)械能和檢測(cè)動(dòng)態(tài)壓力實(shí)現(xiàn)自供電。電容式和壓阻式傳感器具有較大的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力檢測(cè)范圍，但需要電源，從而增加了重量，降低了觸覺傳感系統(tǒng)的靈活性。盡管壓阻傳感器因其工作機(jī)制而需要外部電源才能工作，但通過與自供電電子元件相結(jié)合，它們可以實(shí)現(xiàn)自供電。

作為現(xiàn)代醫(yī)療保健的重要組成部分，健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展不僅促進(jìn)了對(duì)最新數(shù)據(jù)的依賴，而且還需要管理和處理越來越多的數(shù)據(jù)。如何實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、非侵入式地獲取和處理數(shù)據(jù)已成為健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。自供電觸覺傳感器可以巧妙地集成到可穿戴設(shè)備中，對(duì)心跳、血壓呼吸和運(yùn)動(dòng)等人體健康狀況進(jìn)行無創(chuàng)監(jiān)測(cè)，這對(duì)長期健康管理和疾病預(yù)防至關(guān)重要。這也意味著需要確保傳感器準(zhǔn)確捕捉微弱的生理信號(hào),這對(duì)確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性至關(guān)重要。此外，還需要高效的算法來處理和分析收集到的大量數(shù)據(jù)，從而提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的健康反饋。傳統(tǒng)的供電方法需要內(nèi)置電池或頻繁連接外部電源進(jìn)行充電，這既增加了相關(guān)設(shè)備的重量和體積，也限制了設(shè)計(jì)的靈活性和持續(xù)的能源供應(yīng)。因此，自供電傳感技術(shù)的應(yīng)用是克服這一障礙的有效手段。通過將人體肢體運(yùn)動(dòng)、心肺運(yùn)動(dòng)和血液流動(dòng)產(chǎn)生的生物力學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能，減少了對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴，提高了便利性，并使長時(shí)間監(jiān)測(cè)成為可能。同樣，現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)也面臨著類似的挑戰(zhàn)。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)更精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制、感知以及在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對(duì)環(huán)境的理解提出了更高的要求。通過利用環(huán)境能源，這項(xiàng)技術(shù)有助于減少機(jī)器人對(duì)外部能源的依賴，提高機(jī)器人在無人環(huán)境中自主運(yùn)行的能力。然而，在復(fù)雜的操作環(huán)境中，傳感器必須足夠耐用和可靠，以確保長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。自供電觸覺傳感器以其實(shí)時(shí)檢測(cè)生理信號(hào)的獨(dú)特能力滿足了這些需求，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了新的動(dòng)力。

研究成果

過去幾十年來，觸覺傳感技術(shù)在健康監(jiān)測(cè)和機(jī)器人領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。與傳統(tǒng)傳感器相比，自供電觸覺傳感器無需外部電源驅(qū)動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)更加靈活輕便。因此，自供電觸覺傳感器是模擬可穿戴健康監(jiān)測(cè)觸覺感知功能的理想選擇，也是智能機(jī)器人理想的電子皮膚(e-skin)。廣東工業(yè)大學(xué)孫啟軍教授團(tuán)隊(duì)在這篇綜述中首先介紹了各種自供電觸覺傳感平臺(tái)的工作原理、材料和設(shè)備制造策略。然后介紹了它們?cè)诮】当O(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用。最后,討論了自供電觸覺傳感系統(tǒng)的未來前景。相關(guān)報(bào)道以“Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics”為題發(fā)表在Small期刊上。

圖文導(dǎo)讀

Figure 1. Overview of working mechanisms, system integration, and applications of self-powered tactile sensing.

Figure 2. Working mechanism of self-powered tactile sensors.

Figure 3. Materials and device structure of piezoelectric tactile sensors.

Figure 4. Materials and device structure of triboelectric tactile sensors.

Figure 5. Materials and device structure of piezoresistive tactile sensors.

Figure 6. Self-powered tactile sensing systems combined with solar cells.

Figure 7. Self-powered tactile sensing systems combined with batteries.

Figure 8. Self-powered tactile sensing systems combined with supercapacitors.

Figure 9. Self-powered tactile sensing for blood pressure and pulse monitoring.

Figure 10. Self-powered tactile sensing for gait, respiratory and sleep monitoring.

Figure 11. Self-powered tactile sensing for environment recognition, object recognition and grasping.

Figure 12. Self-powered tactile sensing for object material recognition, HMI and VR.

總結(jié)與展望

在過去的一年中，我們見證了自供電觸覺傳感領(lǐng)域的巨大進(jìn)步及其在推進(jìn)健康監(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)方面的關(guān)鍵作用。因此，自供電觸覺傳感器的設(shè)計(jì)受到越來越多的關(guān)注。本綜述詳細(xì)概述了壓電式、摩擦靜電式和自供電壓阻式觸覺傳感器的最新進(jìn)展，包括工作機(jī)制、材料選擇、器件制造以及與能量采集和存儲(chǔ)單元的集成。最后，介紹自供電觸覺傳感系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)和機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多高性能材料，并對(duì)系統(tǒng)集成和耦合策略有了深入了解。盡管如此，自供電觸覺傳感系統(tǒng)仍面臨著必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。

1.材料

材料創(chuàng)新在自供電觸覺傳感器設(shè)備中的作用至關(guān)重要,是實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能和性能提升的關(guān)鍵因素。由于應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，傳感設(shè)備通常被用來組成系統(tǒng)。然而，某些傳感設(shè)備的工作機(jī)制會(huì)影響系統(tǒng)的構(gòu)成。例如，傳感系統(tǒng)中的TENG 會(huì)受到機(jī)械串?dāng)_和電磁干擾的影響，進(jìn)而影響其性能和輸出穩(wěn)定性。因此，探索具有高導(dǎo)電性和出色電磁屏蔽性能的材料已成為一個(gè)重要的研究方向。同時(shí)，還要探索具有高機(jī)械性能和高耐久性的材料，以便長期使用。

2.制造業(yè)

利用現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)，以具有成本效益的方式大規(guī)模制造壓敏材料具有挑戰(zhàn)性，這限制了電子皮膚的大規(guī)模生產(chǎn)和相關(guān)商業(yè)化。例如，制造微圖案結(jié)構(gòu)以提高觸覺傳感器靈敏度的策略通常基于成本高昂的硅模具，而硅模具是一種復(fù)雜而昂貴的光刻方法。此外，已報(bào)道的方法很難制造出超薄、微結(jié)構(gòu)壓敏薄膜。開發(fā)具有微結(jié)構(gòu)的超薄壓敏復(fù)合膜具有重要意義，因?yàn)闇p小壓敏層的厚度對(duì)于提高電子皮膚的柔韌性和保形性能非常重要?？傊?，應(yīng)努力大規(guī)模開發(fā)壓敏薄膜，實(shí)現(xiàn)厚度大幅降低的微結(jié)構(gòu)壓敏薄膜。

3.耐久性

耐用性是自供電觸覺傳感系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中保持性能穩(wěn)定性和功能可靠性的保證。在需要長期免維護(hù)運(yùn)行的應(yīng)用中，如健康監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備和機(jī)器人等，耐用性尤為重要。雖然自供電技術(shù)為消除對(duì)電池的依賴提供了一種潛在的方法,但目前的能量轉(zhuǎn)換效率和存儲(chǔ)能量密度仍難以滿足長時(shí)間、高頻率運(yùn)行的需求。目前，大多數(shù)系統(tǒng)在有限的循環(huán)次數(shù)后就會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降。為了確保自供電傳感系統(tǒng)的耐用性，需要優(yōu)化能量收集機(jī)制的效率，確保在不同條件下都能收集到足夠的能量，并設(shè)計(jì)高效的能量管理系統(tǒng)來平衡能量收集和消耗，以滿足系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4.智能

算法隨著傳感器數(shù)量和類型的增加，如何有效處理和解析大量多維數(shù)據(jù)以提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的反饋已成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。當(dāng)前的算法和處理模型需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高數(shù)據(jù)處理的速度和智能性。將自供電觸覺傳感系統(tǒng)與智能算法相結(jié)合，是模仿人類皮膚觸覺傳感能力的有效方法，可提供更高級(jí)別的交互能力和環(huán)境感知能力。通過利用自供電觸覺傳感器收集的數(shù)據(jù)，智能算法能夠?qū)W習(xí)和識(shí)別復(fù)雜的模式和信號(hào)，從而提供更精確、更高效的決策支持。它不僅能提高設(shè)備的能效和自主性，還能為用戶提供更豐富、更直觀的交互體驗(yàn)。