清華教授總結可穿戴式柔性觸覺傳感器研究突破和進展

近日，清華大學材料學院朱宏偉教授等在《材料科學與工程R：報告》(Materials Science and Engineering R： Reports)上發表了題為《穿戴式觸覺傳感器：材料、傳感機制與器件性能》(“Recent advances in wearable tactile sensors： Materials， sensing mechanisms， and device performance”)的長篇綜述論文，總結了近年來可穿戴式柔性觸覺傳感器研究的重大突破和進展，從基本概念、材料選擇、傳感機制、性能優化、多功能集成和潛在應用等幾個方面進行了系統評述，并對未來科研熱點(如物聯網、虛擬現實/增強現實)做了展望。

近年來，便攜式智能電子產品發展日新月異，出現了眾多多功能的可穿戴器件。將電子產品用于手鐲、眼鏡和鞋子等隨身穿戴品一樣“穿戴”在身上已然成為一種新時尚。其中，穿戴式觸覺傳感器是當下科技圈最前沿的領域之一，可模仿人與外界環境直接接觸時的觸覺功能，主要包括對力信號、熱信號和濕信號的探測，是物聯網的神經末梢和輔助人類全面感知自然及自己的核心元件。從上個世紀七八十年代以來，觸覺傳感器件就引起了材料、物理、化學、電子、機器人等多學科領域研究者的廣泛關注。發展穿戴式、能夠適應基底任意變形、同時對多種無規則觸覺刺激有準確響應的新型觸覺傳感器件至關重要。隨著石墨烯、碳納米管、氧化鋅、液態金屬等新型功能材料的出現，柔性電子相關制備技術的革新，穿戴式觸覺傳感器的研究在近幾年得到了迅猛的發展。

穿戴式觸覺傳感器通常構建在類似皮膚的彈性基底或者可伸縮的織物上以獲得柔性和可伸縮性。從換能機理來看，觸覺傳感主要應用了壓阻式、電容式和壓電式等傳感技術，每種傳感原理都有其特點和適合的應用場所。隨著材料科學、柔性電子和納米技術的飛速發展，器件的靈敏度、量程、規模尺寸以及空間分辨率等基礎性能提升迅速，甚至超越了人的皮膚。同時，為了適應對力、熱、濕、氣體、生物、化學等多刺激分辨的傳感要求，器件設計更加更精巧，集成方案也更加更成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修復、自供能及可視化等實用功能的智能傳感器件也應運而生。此外，穿戴式電子產品朝著集成化方向發展，即針對具體應用將觸覺傳感器與相關功能部件(如電源、無線收發模塊、信號處理、執行器等)有效集成，打造具有良好柔性、空間適應性和功能性的穿戴式平臺。

目前，穿戴式觸覺傳感器在實際應用仍然面臨很多挑戰，例如傳感器在反復變形過程中的性能退化，多刺激同時探測的串擾解耦，穿戴式平臺內部器件之間的力、熱、電性能匹配等。應對這些挑戰將帶來新的機遇，為相關材料制備、器件加工及系統集成指明未來的發展方向。毫無疑問，穿戴式觸覺傳感器將朝向更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向發展。觸覺傳感器的適用范圍將大大拓寬，在人機交互系統、智能機器人、移動醫療等領域具有巨大的應用前景。

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