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┐魇接|覺傳感器的需求也在不斷增長(zhǎng)。這些應(yīng)用場(chǎng)景要求觸覺傳感器具有高靈敏度和長(zhǎng)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(guò)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，這對(duì)長(zhǎng)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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(guò)去幾十年來(lái)，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(zhǎng)足的進(jìn)步。與傳統(tǒng)傳感器相比，自供電觸覺傳感器無(wú)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(lái)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.

來(lái)源： i學(xué)術(shù)i科研

文獻(xiàn)鏈接 Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics https://doi.org/10.1002/smll.202405520

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