电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势

刘沛源++陈威

摘 要随着科学技术的不多提高，电子科学与技术领域不断取得突破性的进展，关于电子皮肤触觉传感器的研究也得到了空前的发展，在机器人、军事、医疗健康、汽车安全和智能家居等领域得到了广泛的应用。在不断的发展过程中也存在着困难和挑战，本文就国内外对于电子皮肤触觉传感器的研究进展作出简要介绍，同时对其存在的问题和发展趋势进行探析。

【关键词】电子皮肤 触觉 传感器 电子科学与技术

1 电子皮肤触觉传感器在国内外的研究进展

从科学的角度来讲，电子皮肤就是一种新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，它能够实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。科学研究表明，人类皮肤的感触响应时间是30到50毫秒，而电子皮肤传感器的该响应时间只要5毫秒，并且灵敏度能够达到15.6kPa-1，同时还能做到循环工作10万次以上。从这些数据上看，电子皮肤对外界的感知丝毫不弱于人类。

在2012年，韩国方面的科研人员在电子皮肤传感器领域的研究取得突破性的进展，他们研制成功了一种新的电子感应器，这种传感器在灵敏度方面甚至能够和人类的真是皮肤相比肩，几乎可以代替皮肤感受外界环境带来的刺激和产生的变化。韩国方面研究出的新型电子皮肤传感器是由两层分别为1mm厚左右的薄膜层叠加而成，两层薄膜上遍布细小的纤维，同时其上面有着导电性能良好的金属作为电能传送，两层薄膜叠加令上面的纤维得以接触，进而形成回路进行工作。

2016年，中国科学研究院半导体所超晶格国家重点实验室与中国人民解放军总医院的科学家和教授们经过通力合作，终于在电子皮肤传感器上取得了骄人的成就。他们利用石墨烯这种材料研发出了一种新型的柔性触觉传感器，这种传感器也能够媲美人类的真实皮肤且能够实现类似的功能，通过对外界的感知和判断做出类似于人体皮肤的相应反应且效果非常真实。同时，在军事和医疗等领域有着很大的研究和发展的空间。

2 电子皮肤传感器研究中遇到的问题

虽然电子皮肤触觉传感器的研究已经相当深刻，取得了诸多成果，在机器人的研发领域更是一马当先，但是在其发展的过程中并不是一帆风顺的，科研人员遇到了很多问题和挑战。

石墨烯这种材料在可穿戴设别中的应用起到了不同凡响的效果，而在研发的过程中也遇到了一些问题，例如，石墨烯这种自身导电性能良好的材料在压阻型柔性压力传感器中应用却没有收到良好的效果反馈，器件对压力的电学性能变化没有预期中的效果。相关的研究人员为了解决这个问题，经过反复的试验和研究，最终确定把聚偏氟乙烯纳米纤维和石墨烯经过科学的融合组成的三维网络能够提高其整体的电学性能的可调节性，对于在仿生电子皮肤领域的应用切合度更高。

由于专业的试验设备和检测设别的缺乏，对于电子皮肤的研究也造成了不小的影响。在研究石墨烯这种材料在健康监测领域的使用效果方面出现了问题，整个研究过程中涉及到了相当高频率的循环工作和不同频率压力下的传感器的灵敏度的变化，由于仪器设备的限制始终达不到理想的试验效果。为此，科研人员通过反复的研究和探析，发现了一种解决办法，那就是把斩波器同砝码联合起来，通过斩波器的转动实现为试验营造一个长期而且稳定的不同频率下的压力变化，为试验的进一步开展铺平了道路。

对于电子皮肤阵列触觉传感器的柔性和弹性的和谐统一问题成为了一个难题，对于模拟人类皮肤，要求电子皮肤触觉传感器需要具备很高的柔性和弹性。为了解决这一难题，相关的科研人员对传感器的组成材料进行了精心的比对和筛选。在研究的过程中发现，PDMS的化学惰性、温度稳定性、透明度等方面的具备着相当大的优势，可以作为基底材料，CNT、石墨烯等作为主要的火星材料，然后经过科学的分析，设计出不同的方案，经过试验和筛选确定最佳的结构以达到其对于高柔性和高弹性的兼容。

日本福岛的辐射问题一直都没有彻底根除，辐射问题已经伤及人们的根本，尤其在机器人都“阵亡”后，对于核辐射的问题人们好像束手无策了，对于人类直接的从事这一项工作已经非常不适合。日本本田针对这一现象，对于机器人做出了进一步的赶紧，为机器人加入电子皮肤，增强其对周边环境感知的灵敏度，使其深入核辐射的高危区域进行工作。但是由于种种难度以及成本問题，其研究的进度不是很快，距离研究成果还有这一段距离。

3 电子皮肤传感器的发展趋势

最近几年，我国的科学技术发展的非常快，在新工艺和新材料方面体现的尤为突出，这对于电子皮肤传感器的研究有着极大的促进作用，在各方面得到了范围性的应用，在未来，其发展方向将是更高灵敏度、更加智能化以及综合全面的发展。高柔弹性且灵敏度更高的多功能电子皮肤较传统的石墨烯、单壁碳纳米管等材料有着更大的优势和诸多的良性特点，更加的接近人类的皮肤特征，能够解决目前触觉传感器阵列功能单一的弊端，所以这是今后的一个重要的研究方向。

近期，科研人员对于人造仿生皮肤的研究格外热切，这是一种可穿戴的设备，现在多被应用在人工智能、医疗以及目前非常火爆的VR领域，人造仿生皮肤能够实现对语音的识别以及脉搏跳动的捕捉等人体生理信号的实时与快速的检测。对于许多烧伤烫伤患者、截肢患者以及整容者来说，人造皮肤拥有触觉可以给他们带来很大的益处，这在未来的研究中有着很大的研发空间和开发潜力，是电子皮肤的重点研究方向。

4 结语

电子皮肤触觉传感器作为科技时代的新型产物，给人们眼前一亮的感觉，也在不断地影响着人们的生活，这是科学的力量，也是电子科学与技术的魅力，科研人员通过不断地探索和钻研，攻克一个有一个难题，相信在未来的发展之中，电子皮肤触觉传感器的研究会有更大的创新和突破，进而广泛的应用在各个领域之中，为人们的生产生活做出贡献。

参考文献

[1]张超然，刘婉姬，王立石，等.电子皮肤专利分析[J].中国发明与专利，2016（03）：26-32.

[2]石金进，吴海彬，马志举.一种新型机器人仿生皮肤的设计[J].机器人，2013，35（01）：32-38.

作者简介

刘沛源（1994-），男，河南省滑县人。大学本科学历。研究方向为电子科学与技术。

作者单位

洛阳理工学院电气工程及其自动化学院 河南省洛阳市 471000