一种纳米压电仿生电子皮肤的研究

纳米压电电子器件（nanopiezotronic device）是利用压电电势产生的内建场将半导体性纳米材料（如ZnO）的机械学和电子学行为耦合起来，而构造出的一类新型电子器件。这类器件可对压力或形变产生主动的电信号输出，具有自获能特征，即发电型器件。本项目旨在实现一种仿生指尖皮肤触觉功能的发电型纳米压电触觉传感器，将纳米压电电子器件作为传感器的变换器集成于作为传感器敏感弹性元件的柔性凸点下，通过柔性凸点承受的被测压力来"感知"接触物表面的形貌信息。采用垂直定向ZnO纳米线作为变换器的核心材料，制作出阵列式纳米压电触觉传感器的变换器。通过微压印或喷墨技术在阵列式纳米压电变换器上制作对应的柔性凸点。柔性凸点既作为压电变换器的保护层，也作为传递压力的敏感弹性元件，功能类似指纹。希望通过本项目的研究，推动纳米压电电子器件应用技术的发展，研制出一种全新的柔性纳米压电仿生电子皮肤。

触觉传感器在人工智能技术、义肢、虚拟现实技术以及微创外科手术等领域均有着重大的应用需求。在智能化的电子皮肤中集成一种具有“触摸”功能的触觉传感器，对于帮组机器人更好的与环境交互，帮组截肢患者重获触觉，虚拟现实中实现触觉信息远端再现，以及帮助外科医生在手术中准确判断组织健康状况等具有重要的价值。本项目旨在研究实现一种仿生指尖皮肤触觉功能的发电机型触觉传感器，将纳米发电机作为传感器的变换器集成于作为传感器敏感弹性元件的柔性凸点下，通过将柔性凸点承受应力变化转换为电脉冲信号来“感知”接触物表面的形貌信息。为人工智能皮肤的实现提供了一条新的技术思路，并探索出一种新型仿生触觉传感器的实现途径。.项目研究实现了一种纳米发电机型触觉传感器。这种传感器可以将物体表面的纹理信息和物体相对器件的滑动信息转换为一系列的脉冲电信号。这种纳米发电机型触觉传感器包括两部分：一个封装在PDMS中的纳米发电机，其功能类似触觉神经；一个由包裹PDMS的细铜丝构成的柔性凸起作为人工指纹。当器件滑过有一定纹理的物体表面时，人工指纹被挤压释放，其应力传递给下方的纳米发电机，从而输出系列的电脉冲。项目开发的原型器件成功实现了对排线的毫米量级规则纹理和无纺布表面0.2毫米的凹凸结构的探测。当器件在同样的条件下反复扫过物体表面的同一区域时，其输出脉冲序列能完美的再现，器件表现出良好的稳定性。测试结果同时还表明，电脉冲的幅值和频率与压力和滑动速度有良好的对应关系。 这一结果显示，通过合适的信号处理，可以从器件输出的电脉冲信号中提取丰富的触觉信息。项目已开始驱动电路的设计与开发，搭建了板级电路。为将来专用驱动集成电路奠定了基础。.总之，通过项目实施，实现了一种新型的具有主动脉冲信号输出能力的触觉传感器，达到了项目的预期目标。这种触觉器件的主动脉冲信号输出更接近生物触觉系统的工作模式。这种新的工作原理，将有利于其在虚拟现实、义肢和人机界面等领域的应用。