近日，韓國(guó)漢陽大學(xué)王偉教授團(tuán)隊(duì)提出一類基于接觸起電和靜電感應(yīng)原理的自供能柔性傳感器陣列。這一成果不僅解決了傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)復(fù)雜性高、成本昂貴的問題，更在柔性電子領(lǐng)域開創(chuàng)了一種全新的陣列式傳感器設(shè)計(jì)模式。

圖 | 王偉（來源：王偉）

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器的信號(hào)通道數(shù)量與觸控點(diǎn)數(shù)量呈線性關(guān)系，這意味著，觸控點(diǎn)的增加會(huì)導(dǎo)致信號(hào)通道數(shù)量及系統(tǒng)復(fù)雜度的顯著提升。而本次傳感器陣列采用一種簡(jiǎn)化信號(hào)通道的創(chuàng)新架構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)通過提出一種全新的方法，通過引入相互獨(dú)立的靜電感應(yīng)單元，使得信號(hào)通道的數(shù)量?jī)H是觸控點(diǎn)數(shù)量的一半，甚至僅需單個(gè)信號(hào)通道。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不僅減少了硬件成本，還顯著提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為多點(diǎn)觸控和復(fù)雜交互系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

此外，他們?cè)诓牧线x擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也取得了重要進(jìn)展。通過使用天然原材料制備傳感器陣列，展示了一種低成本、高效的制造方式，同時(shí)兼顧了環(huán)境友好性。這種基于接觸起電和靜電感應(yīng)的設(shè)計(jì)使得傳感器無需外部供電即可正常工作，實(shí)現(xiàn)了“自供能”目標(biāo)。這一特性使傳感器在電源有限的場(chǎng)景中（如可穿戴設(shè)備和遠(yuǎn)程操作機(jī)器人）表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。

更為重要的是，這項(xiàng)研究還揭示了一種新型信號(hào)傳輸和識(shí)別的規(guī)律。通過對(duì)傳感器信號(hào)的精準(zhǔn)采集與解碼，他們成功地將觸控信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互操作。

研究顯示，這種設(shè)計(jì)在電子皮膚、游戲控制器和智能機(jī)器人領(lǐng)域具有極強(qiáng)的適用性。例如，他們展示了傳感器在控制手機(jī)撥號(hào)、計(jì)算器輸入、機(jī)械臂操作以及電子鋼琴等應(yīng)用中的卓越性能。這些功能的實(shí)現(xiàn)表明，該傳感器具備極高的靈敏度、穩(wěn)定性和多功能性。

總之，這項(xiàng)研究不僅提供了一種全新的柔性傳感器設(shè)計(jì)方案，還在原理層面和技術(shù)層面上為人機(jī)交互系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一成果不僅有助于拓寬柔性電子的研究方向，也為智能設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用提供了新的可能性。

未來，以下領(lǐng)域可能會(huì)從中受益：

1. 人機(jī)交互設(shè)備的提升與創(chuàng)新

通過利用簡(jiǎn)化信號(hào)通道的多信號(hào)輸出機(jī)制，傳感器陣列可以顯著優(yōu)化游戲操縱桿、電子皮膚、機(jī)器人控制器等設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)通道數(shù)量。尤其是在電子皮膚領(lǐng)域，該技術(shù)為智能手套、虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺設(shè)備提供了更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法。

2. 綠色低成本智能設(shè)備的開發(fā)

傳感器采用原材料如天然橡膠和未經(jīng)處理的樹葉為核心組件，不僅顯著降低了生產(chǎn)成本，還對(duì)環(huán)保制造提供了新思路。例如，研究中展示的樹葉制成的電子鋼琴按鍵，展示了可再生資源在智能設(shè)備中的潛力。結(jié)合該技術(shù)，未來有望涌現(xiàn)一批綠色、低能耗且功能強(qiáng)大的消費(fèi)級(jí)智能硬件。

3. 自動(dòng)化系統(tǒng)與機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)化

傳感器在機(jī)器人控制器中的應(yīng)用展示了強(qiáng)大的信號(hào)解讀能力，為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化帶來了新的可能性。未來，該成果可為柔性機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的傳感器系統(tǒng)提供可靠支持，促進(jìn)其精度和可靠性的進(jìn)一步提升。

4. 智能教育與娛樂設(shè)備的拓展

在游戲角色控制和機(jī)械臂控制所展現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景，傳感器陣列在智能教育和娛樂設(shè)備中也大有可為，為創(chuàng)造交互性更強(qiáng)的產(chǎn)品提供了技術(shù)支持。未來數(shù)年內(nèi)，這些應(yīng)用可能會(huì)走入課堂和家庭，為教育和休閑娛樂帶來更多創(chuàng)意可能。

那么，這一研究具體是如何完成的？

最初，他們從人機(jī)交互技術(shù)的發(fā)展中發(fā)現(xiàn)了一些瓶頸，尤其是在傳感器陣列復(fù)雜度和高效性之間的權(quán)衡上。他們意識(shí)到，現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)雜的布線設(shè)計(jì)和昂貴的材料成本限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此，該團(tuán)隊(duì)定下設(shè)計(jì)一種自供能、低成本的傳感器陣列的目標(biāo)，并希望能同時(shí)簡(jiǎn)化信號(hào)通道，提升人機(jī)交互的響應(yīng)能力。

基于接觸起電和靜電感應(yīng)原理，他們提出了兩種傳感器陣列設(shè)計(jì)方法。這一階段的重點(diǎn)是尋找合適的材料來實(shí)現(xiàn)傳感器的性能和成本的平衡。后來，他們決定結(jié)合天然橡膠和聚氯乙烯兩種低成本材料，并進(jìn)一步探索未經(jīng)處理的樹葉作為傳感器組件的可能性。這個(gè)決定不僅體現(xiàn)了他們對(duì)環(huán)保和可持續(xù)性的關(guān)注，也為后續(xù)研究帶來了不少意外驚喜。

在制備過程中，他們不斷優(yōu)化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度和多樣化的信號(hào)輸出。這一階段涉及大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)整，例如優(yōu)化電極排布等實(shí)驗(yàn)。在功能驗(yàn)證方面，他們將傳感器陣列應(yīng)用于多種場(chǎng)景，包括游戲操控桿、電子皮膚、機(jī)器人控制器，以及基于樹葉的電子鋼琴按鍵。

事實(shí)上，使用未經(jīng)處理的樹葉作為傳感器的材料。這是一個(gè)看似不太可能成功的實(shí)驗(yàn)，但他們想通過這次嘗試來驗(yàn)證傳感器設(shè)計(jì)的普適性。起初，他們很擔(dān)心用未經(jīng)處理的樹葉能否實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的信號(hào)輸出。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人驚喜——傳感器不僅能夠正常工作，還生成了清晰并且可識(shí)別的信號(hào)。這一發(fā)現(xiàn)充分驗(yàn)證了傳感器設(shè)計(jì)的多樣化潛力。

（來源：Advanced Functional Materials）

在證明傳感器陣列的可行性之后，他們進(jìn)一步研究其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。例如，用傳感器操控游戲角色和機(jī)械臂動(dòng)作等。為了讓實(shí)驗(yàn)更具說服力，課題組不斷調(diào)試交互系統(tǒng)，確保信號(hào)輸出的穩(wěn)定性和應(yīng)用的多樣性。

日前，相關(guān)論文以《自供電、基于原材料的傳感器陣列，用于人機(jī)交互的信號(hào)通道最小化》（Self-Powered, Raw Material-Based Sensor Arrays with Minimized Signal Channels for Human-Machine Interaction）為題發(fā)在Advanced Functional Materials[1]，韓國(guó)漢陽大學(xué)博士生阿世偉和博士后研究員王森是共同一作，王偉擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

未來，他們計(jì)劃從多個(gè)維度進(jìn)一步深化本次研究的影響力和應(yīng)用價(jià)值。

首先，他們計(jì)劃優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)和性能，以便適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，通過引入更多類型的低成本原材料或功能性填料，進(jìn)一步提升傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，同時(shí)擴(kuò)展其適用環(huán)境比如高濕度、高溫度或復(fù)雜機(jī)械擾動(dòng)條件下的可靠性。

其次，在信號(hào)處理方面，他們希望進(jìn)一步開發(fā)更智能化的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化傳感器的信號(hào)解析能力。這樣的改進(jìn)將使傳感器更好地適應(yīng)復(fù)雜的人機(jī)交互場(chǎng)景，例如動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)雜手勢(shì)、語音手勢(shì)融合交互等。

再次，他們將探索傳感器在生物醫(yī)學(xué)和柔性機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。例如，利用其低成本和柔性特點(diǎn)，可以將其集成到可穿戴醫(yī)療設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者動(dòng)作和健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；或者在柔性機(jī)器人中，通過傳感器陣列的精確反饋提升機(jī)器人的觸覺等感官的能力。

參考資料：

1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416163

審核編輯 黃宇