聂双喜教授团队AM：用于触觉感知的可穿戴摩擦电传感器

Energist 能源学人

【研究背景】

能源自主性是下一代便携式和可穿戴系统的关键，例如电子皮肤所需多种高密度的电子元件（包括传感器、执行器、电子设备等），能源供应方式是制约其灵活和集成应用的主要障碍。摩擦纳米发电机（TENG）具有可持续驱动便携式设备的优势而得到飞速发展，将有效解决可穿戴设备目前亟待解决的多个技术瓶颈，包括供能方式，传感器的密度，便携性以及生物相容性等。

具有可见光反馈的可视化触觉传感器可直接、直观地识别触摸并做出相应反馈，操作简单、易于决策且可实现机器与用户之间的动态交互，为电子皮肤和人工智能等领域的发展提供了新契机。然而，传感信号的获取、传输与表达仍然面临很大挑战，仍然需要从材料、电气、人工智能等多个领域共同突破。

【内容简介】

近日，王双飞院士团队报道了一种基于摩擦纳米发电机的新型可视化触觉传感器，实现了无需外接电源的自供电触觉反馈。并将可视化元件进行有源矩阵集成，构建了可以实现手部应力强度反馈以及抓取状态感知的可视化、可穿戴触觉传感器。该成果以题为“Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception”发表在了《Advanced Materials》上，聂双喜教授为通讯作者，2022级博士生刘涛和陆登俊副教授为共同第一作者。

【核心内容】

1. 可穿戴可视化触觉传感器的设计

为了使设备更便于穿戴，传感器的设计应尽可能微小型化，这意味着传感器的摩擦面积远小于传统的摩擦纳米发电机（TENG），通过微型TENG驱动可视化元件（LED）相对困难。因此，采用折纸技术和表面工程的组合工艺提升TENG的摩擦面积，充分利用材料的多维度摩擦电效应。由于壳聚糖-NH₂和特氟龙-F的电子亲和力不同，在触摸应力的作用下电子由壳聚糖摩擦层向特氟龙摩擦层转移。通过外接感应电极可以收集这种电子转移过程，并连接LED实现手掌按压的可见光反馈。

图1. 用于可穿戴可视化触觉传感器的X-TENG。

2. X-TENG的传感响应性能

在触摸过程中伴随着不同的应力变化，低压范围内X-TENG的弯曲程度不足以使得两种摩擦电材料接触，只有当压力超过预定阈值两种摩擦材料才能发生接触产生摩擦电电信号，因此X-TENG电信号展现出不同的线性传感趋势。此外，仔细检查了X-TENG的应力、频率及时间响应性，并进行超过100,000次的循环实验，证明了X-TENG可以在人体正常的运动条件下实现高效且稳健的能量收集过程，是作为一种输出信号稳定且无延迟可穿戴软电源的良好选择。

图2. X-TENG的传感响应性能

3. X-TENG增强的可视化传感性能

基于X-TENG的高输出性能，可以在轻松触摸下驱动可视化光源（LED）产生可见光。在正常触碰应力（100 kPa）下X-TENG驱动可视化光源最大的亮度可达9.8 cd/m²。为了展示可视化触觉传感器在集成设备中的应用潜力，通过有源矩阵（5×5）的设计策略分别将X-TENG与可视化光源元件集成在相同的平面上。在这里，单点触碰与大面积触碰用于演示触觉可视化反馈的响应。可以推测，可视化触觉传感器在应力传感、运动状态反馈与辅助训练中具备潜在的应用前景。

图3. X-TENG有源矩阵集成的可视化传感性能

4. 用于识别手部抓取状态的可穿戴设备

在机器人技术的背景下，手掌抓取状态和手语的识别方案依赖于使用传感器从触觉信号中提取有意义的信息。通过在每个手指关节间设置传感器以捕获有效的运动传感信息，提供了14个通道的有源输出。可以观察到，抓取不同物品的手部状态很轻松地被传感器反馈，并且可视化触觉反馈设备可用于区分数字4和OK这样的类同源手势信息。因此，可以在智能宇航服和机器人上应用这种可穿戴触觉可视化反馈设备，即使在黑暗环境条件下也可以实现便捷的人机交互。

图4. 手掌有源矩阵集成X-TENG可视化传感的应用。

【结论】

此研究通过摩擦电材料的表面形貌构造及折纸工艺提出了一种自供电的可穿戴可视化触觉传感器，采用X-TENG构建的可视化传感器在人类触觉压力范围内（100 kPa）可轻松将触摸刺激转换为视觉可见的光信号（9.8 cd/m²），实现了手掌抓取状态和手势信息传输的远程交互方式。但这项技术仍处于起步阶段，目前仅限于器件结构简单的可穿戴自供电系统。未来通过提升摩擦纳米发电机的输出性能、调节反馈光源的匹配电流和增强可视化触觉传感器本身可能会极大地提升该技术的可视化强度，而这种自供电远程可交互视觉触觉传感器将为人机交互方法提供巨大的潜力。

Dengjun Lu, Tao Liu, Xiangjiang Meng, Bin Luo, Jinxia Yuan, Yanhua Liu, Song Zhang, Chenchen Cai, Cong Gao, Jinlong Wang, Shuangfei Wang, Shuangxi Nie, Wearable Triboelectric Visual Sensors for Tactile Perception, Advanced Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adma.202209117

通讯作者简介

聂双喜，广西大学教授，国家高层次人才计划入选者。主要从事纤维素绿色制备及功能化方面的应用基础研究，在纸浆清洁漂白及先进纤维素功能材料方面取得系列原创性成果，为我国造纸行业可持续发展提供了有力的科学支撑。共主持省部级以上项目7项，其中国家自然基金3项（面上项目2项）；以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Mater. Today、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等期刊上发表SCI论文60余篇，其中SCI一区论文50篇、影响因子15.0以上的论文26篇；论文被国际同行引用4700余篇次，累计入选ESI热点论文2篇、ESI高被引论文16篇；共获授权发明专利28件，其中5项技术已实现成果转化，转让到校总经费387万元。先后获得“国家技术发明二等奖”、“国家霍英东青年教师奖”、“教育部技术发明一等奖”、“广西科技进步二等奖”、“广西青年五四奖章”、“广西青年科技奖”及“广西创新争先奖”。

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2022-12-07