近年來，融合了感知與驅(qū)動功能的體感人工智能（EAI）和機(jī)器人技術(shù)的迅猛，這就需要具備類似人類皮膚的感覺能力。人類能夠熟練地進(jìn)行操作、環(huán)境探索、感知觸摸物體的物理特性以及觸覺感知，這得益于皮膚對多模態(tài)機(jī)械刺激的辨別觸覺能力。在人類指尖處，觸覺機(jī)械感受器的密度高達(dá)每平方厘米 240 個單位，尺寸小于毫秒級，這使得其能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級分辨率的觸覺感知。因此，觸覺感受器在觸摸物體時能夠編碼多模態(tài)、精確的時空特征，例如壓力、振動、滑動和紋理等，這些對于在探索任務(wù)中對處理物體的辨別觸覺提供觸覺信息至關(guān)重要。

近日，香港科技大學(xué)訾云龍教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》國際期刊上發(fā)表了一篇題為“Sub-Milliscale-Resolution Bimodal Tactile Sensor Array with Human-Skin-Like Graphesthesia Sensation"的文章，報告了一種具有亞毫秒級分辨率的雙模態(tài)觸覺傳感器陣列，該陣列由一個用于繪制壓力分布的壓電傳感器陣列和一個用于接觸高度檢測的摩擦電傳感器陣列組成，能夠計(jì)算楊氏模量分布。

與現(xiàn)有研究相比，這種雙模態(tài)觸覺傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了 700 微米的亞毫秒級空間分辨率和 226 像素/平方厘米的相對高傳感器密度，展示了精細(xì)的多模態(tài)感知能力。通過將來自壓電傳感器陣列的壓力映射信息與來自摩擦電傳感器陣列的接觸高度信息相結(jié)合，并在 50 毫秒的快速響應(yīng)時間內(nèi)揭示楊氏模量分布，從而實(shí)現(xiàn)了對信息的區(qū)分。此外，這種觸覺傳感器陣列能夠?qū)崿F(xiàn)與人類皮膚類似的觸覺感知，并借助深度學(xué)習(xí)算法重建蘊(yùn)含柔軟度的信息模式，為向具有實(shí)體智能和機(jī)器人技術(shù)的微毫秒級分辨率觸覺感知的范式轉(zhuǎn)變提供了策略。

• 亞微米級分辨率雙模觸覺陣列的集成結(jié)構(gòu)

手指的表皮上密集分布著各種觸覺感受器，包括邁斯納小體、梅爾克氏盤、帕西尼小體和魯菲尼末梢，它們負(fù)責(zé)感知多維觸覺感受。當(dāng)手指與物體接觸時，這些機(jī)械感受器會被刺激，并產(chǎn)生信號通過神經(jīng)突觸匯聚到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使大腦能夠獲取關(guān)于物體特性的信息。為了通過模仿人類皮膚的功能來實(shí)現(xiàn)微毫秒級分辨率的力分布和柔軟度解碼的雙模態(tài)識別，通過壓電和摩擦電功能部件制造了一個集成傳感器陣列。

在壓電傳感器陣列層（PSAL）的頂部，集成了一個 10×10 的三維半球形結(jié)構(gòu)的摩擦電傳感器陣列層（TSAL），用于接觸高度檢測。壓力傳感器部分包含一個由 10×10 個 PVDF 傳感器單元組成的壓電陣列層（每個傳感器單元尺寸為 350 微米，間距為 350 微米，總面積為 6.65 毫米×6.65 毫米），這些傳感器單元通過單獨(dú)的電極與外部電路通道相連。

其中 PSAL 用于檢測施加力的分布，而 TSAL 用于檢測接觸高度。該 TSAL 采用半徑 175 μm、間距 350 μm 的半球形結(jié)構(gòu)，用于接觸高度檢測。研究團(tuán)隊(duì)利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm）制備出半球形 TSAL 模具，隨后使用 PDMS（前驅(qū)體材料）進(jìn)行后續(xù)加工。值得注意的是，摩擦電傳感器的柱狀結(jié)構(gòu)具有較高的彈性模量，從而成為有效的力傳輸介質(zhì)，將力傳遞至底層壓電傳感器。

• 單個壓電傳感單元的性能

靈敏度通過電壓-壓力相關(guān)性來量化，該相關(guān)性定義為單位力或壓力變化所引起的電壓變化。該壓力傳感器單元展現(xiàn)出了極其寬廣的檢測范圍，跨越了三個數(shù)量級。在低壓區(qū)域（< 28 毫牛頓，230 千帕）內(nèi)，該壓電壓力傳感器單元實(shí)現(xiàn)了 2608 毫伏/牛頓和 0.31 毫伏/千帕的靈敏度，與其他壓電傳感器相比，其靈敏度表現(xiàn)尤為出色。而在中間壓力范圍內(nèi)（28在（mN - 2.45N，0.23 - 20MPa）的條件下，靈敏度達(dá)到了 510mV/N 和 0.062mV/kPa。這種壓電式壓力傳感器單元甚至能夠在壓力超過 2.45N（20MPa）的情況下檢測到壓力變化，其靈敏度為 270mV/N（0.034mV/kPa）。

此外，對具有四種不同尺寸的傳感器單元在不斷增加的壓力下的電壓響應(yīng)進(jìn)行了評估，結(jié)果表明，傳感器單元面積的增加會導(dǎo)致壓力靈敏度的增加。單位力的電壓變化可用于比較不同區(qū)域中壓電傳感器的靈敏度，證明了靈敏度的高度均勻性。

此外，壓電傳感器單元的電壓和電荷響應(yīng)隨著力的持續(xù)增加而增加。PSAL 單元在壓力加載從低壓力到高壓力的不斷增加過程中電壓響應(yīng)有所增加。此外，PSAL 單元的檢測限低至 8.7 千帕。在 260 千帕的壓力接觸/分離循環(huán)測試中，超過 10000 次循環(huán)期間輸出性能保持穩(wěn)定。

• PSAL 的空間特征

為了了解 PSAL 的性能，通過單點(diǎn)觸碰和間距觸碰這兩種方法對其空間特性進(jìn)行了系統(tǒng)評估。該陣列產(chǎn)生的電壓信號由一個由計(jì)算機(jī)控制的多路復(fù)用器（用于通道地址和路由）和一個靜電計(jì)（用于電壓測量）組成的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。對目標(biāo)傳感器單元施加局部機(jī)械刺激，同時通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測受刺激單元及其相鄰傳感器單元的輸出電壓。標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果顯示，機(jī)械刺激的傳感器單元表現(xiàn)出最高的輸出電壓幅度，而周圍傳感器單元的響應(yīng)則最多降低了最高幅度的 11.8%。所有相鄰?fù)ǖ乐g的串?dāng)_系數(shù)均超過 9.3 分貝，這證實(shí)了在精確空間力映射應(yīng)用中，各通道之間的信號串?dāng)_極低。隨后，壓力位置以 100 微米的步長進(jìn)行定位，以檢驗(yàn)傳感器陣列的空間分辨率能力。隨著上述操作隨著距離的增加，目標(biāo)傳感器單元受壓力影響的區(qū)域逐漸縮小，從而導(dǎo)致電壓響應(yīng)逐漸降低。當(dāng)移動距離接近 400 微米（超過了 PSAL 的間距 350 微米）時，目標(biāo)傳感器的電壓響應(yīng)降至初始值的 6.6%，有效串?dāng)_系數(shù)為 11.8 分貝。在更遠(yuǎn)的移動距離 500 微米時，電壓響應(yīng)進(jìn)一步降至初始值的 3.3%，有效串?dāng)_系數(shù)為 14.7 分貝。

• 觸覺感知 本體感覺（BTSA）

在觸覺感知中，人類指尖的觸覺圖譜能力使它們僅通過觸覺就能推斷出物體的局部地形和柔軟度。同樣地，BTSA 可以通過 PSAL 的壓力映射以及通過 TSAL 的接觸高度測量來實(shí)現(xiàn)極其精細(xì)的觸覺感知，從而推斷出材料的柔軟度分布。

當(dāng)接觸柔軟度加密圖案時，BTSA 在不同柔軟度的陣列像素上表現(xiàn)出不同的壓電壓力響應(yīng)幅度。此外，通過 TSAL 測量的接觸高度使 BTSA 能夠評估陣列像素的柔軟度分布。因此，BTSA 有可能從機(jī)械加密圖案中解密信息。

綜上所述，所開發(fā)的 BTSA 展示了在亞毫秒尺度下對精細(xì)圖案輪廓和物體表面柔軟度分布進(jìn)行觸覺感知的能力，這是通過 PSAL 和 TSAL 的協(xié)同集成實(shí)現(xiàn)的。PSAL 能夠以 50 毫秒的快速響應(yīng)時間實(shí)現(xiàn)壓力大小分布的映射。TSAL 能夠通過開路電壓揭示接觸高度，通過結(jié)合 PSAL 的壓力映射結(jié)果進(jìn)一步量化接觸物體的楊氏模量分布。通過利用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器陣列通過解碼軟度加密圖案中嵌入的信息（通過高彈性模量區(qū)域和低彈性模量區(qū)域之間的明顯軟度差異）展示了觸覺感知能力，適用于機(jī)器人智能識別和具身人工智能。此外，利用 BTSA 采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了對嵌入不同信息的數(shù)據(jù)矩陣條形碼圖案的觸覺識別，并展示了超越人類的優(yōu)異觸覺感知能力，識別準(zhǔn)確率高達(dá) 98.27%。這種多模態(tài)感知模式將物理加密與多模態(tài)觸覺感知相結(jié)合，提高了空間分辨率，為安全的實(shí)體人工智能、信息加密/防偽系統(tǒng)以及自適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)假肢等潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。