触觉传感器研究现状

周建辉，司新毅，及冲冲，余志永，刘迎娟

（1华北理工大学 迁安学院 河北 唐山 064400）（2中国水务投资有限公司 北京 100053）

1 引言

近年来，人口老龄化现象日益突出，医疗保健水平亟待提高，机器人与可穿戴医疗设备等的需求逐渐增多，其关键技术——触觉传感器的开发与应用已经成为当今学术研究的热点之一。触觉传感器可覆盖于复杂三维载体表面，通过接触感知外界环境的各种信息，其研发需要综合运用多学科的知识。

2 触觉传感器研究现状

早在二十世纪七十年代，国际上就已开始对电子皮肤的探索与研究。近年来，经过各国科研人员的不断努力，电子皮肤的设计与开发取得了显著的进步。目前，电子皮肤种类繁多，本文主要针对本领域中的部分典型研究工作进行介绍与分析。

2004年，东京大学Takao Someya等人研发了一种触觉传感器阵列，可包裹于半径2mm的圆柱之上，并保持正常工作。2005年，Takao Someya课题组又引入“渔网”结构，使传感器的柔性大大增加。

2011年，Zhenan Bao课题组将碳纳米管喷涂于PDMS基底制作了电容式触觉传感器阵列，具有高弹性。2014年，Bao课题组利用具有空心球微结构制作了锯齿状压阻式触觉传感器阵列，可测量微小压力，灵敏度超高。

2014年，韩国的Hyunhyub Ko课题组利用互锁结构，制作了可以感知压力方向的触觉传感器。可以检测振动，灵敏度高。同年，意大利理工学院的Lucie Viry课题组开发了一种基于电容原理的全柔性三轴力触觉传感器。此传感器基于导电织物电极和高弹性材料，便于制造，加工成本低，具有良好的顺应性、鲁棒性和稳定性。这种特有的电介质多层结构和独创的材料组合方式，使传感器表现出了卓越的性能，国内学者对触觉传感器的研究也取得了很大进展。2008年，合肥工业大学的黄英等人基于压敏导电橡胶制作了触觉传感器阵列，可检测三维压力，并针对导电橡胶的压阻效应设计了不同的结构[1]。其制作工艺简单，制造成本低，应用前景广阔。

2012年，东华大学的吕晓洲等人基于PCB板耦合电极和PDMS制作了电容式触觉传感器，其特点在于能够实时测量三维界面应力[2]。这项研究对医学领域有重要的贡献，可检测截肢表面和假肢接口之间的应力分布以及人体足底应力分布。2017(11)：7-9.

2013年，北京科技大学曹建国等利用银纳米线与PDMS复合材料设计制作了高柔弹性触觉传感器阵列，基于“多孔PDMS”结构，达到了触觉传感器的高柔弹性。这种触觉传感器阵列可与结肠镜集成，感知内外压力，为触觉传感器在医疗设备等复杂三维表面上的应用奠定了基础[3]。

2014年，中科院张珽等人制作了电容式压力触觉传感器阵列，该传感器基于单壁碳纳米管和超薄的PDMS薄膜，借助丝绸模具得到与丝绸织物微观表面反相的纹理。其制作方法简单，成本低，且灵敏度超高，稳定性好，可用于监测人体生理信号，作为疾病诊断和健康评估的重要依据。

3 触觉传感器存在问题

触觉传感器经过几十年的发展，已经取得了一系列的成果，并显示出了广阔的应用前景，但其研究和开发依然存在诸多问题，现总结如下：

3.1 柔弹性不够，不能很好地覆盖于复杂三维表面

触觉传感器应能够覆盖于机器人等复杂的三维载体表面，并保持良好的电学性能，因此必须能够在弯曲、扭转及拉伸状态下正常工作，有良好的柔弹性。相关研究结果表明，触觉传感器的弹性应能达到30%。因此，优化触觉传感器结构，使其在复杂状态下正常工作是当前研究亟待解决的问题。

3.2 不易剪裁和拼接，不能适应大面积载体表面

目前，单个传感单元的性能已经得到很大改善，但触觉传感器的工作环境通常要求较大的表面积，因此，触觉传感器应具有良好的可扩展性，应该能够适应不同的载体条件下任意剪裁和拼接并保证正常工作。

3.3 制作工艺复杂，成本高，不适宜大批量生产

触觉传感器的制作过程通常涉及复杂的加工工艺，制作成本一般比较高，所选用的材料往往都是新型材料，其制作过程复杂，价格也比较贵，因袭，高昂的制作成本限制了触觉传感器的大批量生产。

4 触觉传感器发展趋势

近年来，触觉传感器发展迅速，已应用于智能制造、航空航天等多领域。今后，触觉传感器应融合机械、电子、材料等各学科知识，不断发展，以获得更优越的性能，适应复杂的工作环境，从而实现更广阔的应用。

4.1 多功能

多功能触觉传感器可同时实现压力、拉力、温度、表面粗糙度等多种参数的测量。目前已设计制作的触觉传感器大多数只能实现某一个测量功能，完成单一的测量任务，因此，开发多功能的触觉传感器任重而道远。

4.2 自愈合

具有自愈合能力的触觉传感器可自我修复机械损伤，延长使用寿命。目前还没有设计出性能稳定的具有自愈合功能的触觉传感器，是今后研究的难点之一。

4.3 自供电

为触觉传感器提供经久耐用的电源，使触觉传感器实现能量自供给是一个重要的研究方向。超级电容器、无线天线、太阳能电池等先进技术为触觉传感器自供电功能的开发提供了基础。

5 结语

触觉传感器的研究开发对仿生机器人意义重大，覆盖了电子皮肤的机器人可为行动不便的老人提供基本的服务、代替人类承担危险的营救任务。尽管已经取得巨大的进步，但是触觉传感器的研究绝大部分还还没有走出实验室，因此，我们需要继续努力探索，使触觉传感器真正走入生产生活各个领域，为人类所用。

[1]黄英.基于压力敏感导电橡胶的柔性多维阵列触觉传感器研究[D].合肥:合肥工业大学，2008.

[2]吕晓洲.用于电子皮肤的新型压力传感器的研究[D].上海:东华大学，2012.

[3]汪浩鹏.用于接触压力测量的新型高柔弹性电子皮肤研究[D].北京：北京科技大学，2015.