可重构全向摩擦电触须传感器阵列：面向人-机-环境交互的通用触觉界面新突破

《Nano-Micro Letters》：A Reconfigurable Omnidirectional Triboelectric Whisker Sensor Array for Versatile Human–Machine–Environment Interaction

本刊编辑推荐：为突破现有交互式传感皮肤在单元级重构、多轴力/运动感知及动态不规则表面稳健操作方面的局限，研究人员开展了“可重构全向摩擦电触须传感器阵列（RO-TWSA）”研究。该阵列集成仿生摩擦电触须结构（TWS）与无束缚水密封真空吸盘（UHSVS），利用MXene/硅橡胶纳米复合电介质与双三角电极布局，实现了低至0.024 N的力检测阈值与5°的角度分辨率；结合高机械强度水凝胶与亲水性PBP-硅胶环，实现了200次循环以上的可逆锚定。该研究为人-机-环境动态交互提供了高精度、可重构的通用触觉接口解决方案。

　　

在机器人与智能系统日益融入日常生活的今天，人、机器与复杂环境之间的交互场景层出不穷。从工业协作机器人到可穿戴设备、远程医疗工具，无缝高效的交互已成为下一代智能系统的核心特征。这一趋势对可靠的触觉传感接口提出了迫切需求，亟需能够作为物理接触与数字感知之间桥梁的通用解决方案。理想中的触觉接口应具备一系列通用传感单元，这些单元不仅能灵活可逆地部署于各种不规则甚至动态变化的表面，还能精确感知全方向的力与运动。然而，现有传感技术仍难以同时实现这两大目标：传统柔性传感器阵列缺乏单元级移动性，限制了其在复杂表面或任务中的适应性；而现有的仿生触须传感器虽在结构上有所突破，却常在方向识别精度、系统小型化与信号复杂性之间面临权衡。

针对上述挑战，发表于《Nano-Micro Letters》的最新研究提出了一种创新的可重构全向摩擦电触须传感器阵列（RO-TWSA）。该阵列由多个独立传感单元构成，每个单元集成了仿生摩擦电触须结构（TWS）与无束缚水密封真空吸盘（UHSVS），兼具仿生触觉感知与可重构部署能力。RO-TWSA的仿生设计灵感来源于大鼠触须的机械感知功能与章鱼吸盘的可逆吸附特性，旨在打造一种能够适应多样化交互场景的高精度触觉接口。

为开展此项研究，团队重点突破了以下几项关键技术：首先，通过优化MXene（Ti₃C₂T_x）纳米片在硅橡胶中的掺杂浓度（4 wt%），显著提升了电介质层的电荷捕获效率；其次，采用双三角电极布局与单电极工作模式，仅用两个电极即可实现全向力与运动的高精度感知；第三，开发了具有大孔结构的高吸水性水凝胶（以甲壳素、丝素蛋白和羟基化碳纳米管为原料），并结合亲水性PBP-硅胶环，构建了无需外部供水的可靠液体密封吸附系统；第四，利用COMSOL多物理场仿真分析了触须在不同载荷下的位移分布与电势分布，为结构参数优化提供理论依据；最后，通过卷积神经网络（CNN）对传感器采集的纹理信号进行分类，验证了其在触诊应用中的高识别精度。

2.1 RO-TWSA的结构与工作机制

RO-TWSA的核心创新在于其仿生单元设计。触须结构（TWS）以碳纤维棒为骨架，外部包覆圆柱形MXene/硅橡胶纳米复合电介质层，外围环绕带有两个镜像对称三角形铜电极的聚酰亚胺环。其工作机制基于摩擦起电效应与静电感应：当外力使触须偏转时，电介质层靠近电极，因MXene的高电负性引发电荷转移，输出信号幅度反映接触力大小，而双电极信号的差异则指示偏转方向。通过优化电介质直径（7.5 mm）与MXene掺杂比例，传感器单元实现了0.024 N的力检测阈值与5°的角度分辨率。

无束缚水密封真空吸盘（UHSVS）的设计则模仿章鱼吸盘的吸附机制：其双层吸盘内填充高吸水性水凝胶，下缘涂覆亲水性PBP-硅胶环。压缩时水凝胶释放水分形成液体密封，PBP-硅胶环则有效保持水分，使吸盘在多种表面实现可逆锚定，锚定力在200次循环后仍保持稳定。

2.2 TWS的输出性能与特性

通过系统实验表征，研究团队验证了TWS在真实交互场景中的适用性。传感器的开路电压随接触点高度降低与位移增大而显著提升，在10 mm位移、10 mm高度下可达3.36 V。短路电流与接触速度呈线性关系（I=2.86947v-0.02434，R2=0.99739），而电压输出在不同速度下保持稳定（约2.6 V）。传感器在55%~95%湿度范围内仍能维持有效输出，并在50,000次循环测试中表现出优异的耐久性。

方向感知实验表明，TWS能够准确识别8个方向（间隔45°）的偏转，并通过细分实验将角度分辨率提升至5%。这些特性使其能够同时检测外力的大小与方向，为动态交互提供高精度信息输入。

2.3 UHSVS的制备与表征

UHSVS的性能关键在于水凝胶的吸水保水能力与PBP-硅胶环的亲水改性。研究团队通过将甲壳素纳米纤维、丝素蛋白与羟基化碳纳米管交联，制备出具有大孔结构（孔隙率约76.2%）的高韧性水凝胶。该水凝胶在循环压缩下保持90%以上的回弹性，并能快速吸排水，支撑可逆液体密封。同时，PBP的引入使硅胶接触角显著降低（最佳浓度6%），有效提升了液体密封稳定性。

吸附力测试显示，完整配置（含水凝胶与PBP-硅胶环）的吸盘最大吸附力达4.6 N，且经过200次循环后仍保持稳定。实际演示中，仅重2.4 g的吸盘可提起560 g重物（约230倍自重），并在塑料瓶、玻璃培养皿、陶瓷盘等多种表面实现可靠锚定。

2.4 RO-TWSA在易部署遥操作中的应用

在人类-环境交互场景中，RO-TWSA展现出作为便携式遥操作接口的潜力。研究人员将两个传感单元部署于塑料尺上，构建了一个可重构的多通道控制系统。通过实时采集传感器信号并经MATLAB处理，用户能够通过触须偏转控制机器人小车的前进/转向以及机械臂抓取动作。该系统验证了RO-TWSA在无需硬件重新设计的情况下，快速构建自适应交互界面的能力。

2.5 RO-TWSA在分辨率可调机器人触诊中的应用

面向人类-机器人交互需求，RO-TWSA通过可重构阵列布局实现了分辨率可调的触觉感知。在模拟肿瘤诊断的实验中，研究人员首先使用平面支架部署四个传感单元进行大面积扫描，初步定位皮下异常；随后更换为凹面支架，提高空间分辨率以精确勾勒肿瘤轮廓。实验采用猪表皮组织模拟人体皮肤，通过传感器信号峰值识别异物存在，并利用CNN对五种不同纹理模块（拱形、梯形、三角形等）实现97.4%的分类准确率。

2.6 RO-TWSA在功能可切换机器人自主环境探索中的应用

在机器人-环境交互场景中，RO-TWSA被集成于移动机器人平台，通过两种部署模式（D1、D2）实现功能切换。D1模式专注于障碍物避让，通过四角布置的传感单元提供前后方向碰撞检测；D2模式则优化了环境地图扫描能力，使机器人能够通过触须接触信号重建矩形与三角形封闭环境的几何轮廓。实验表明，该系统能够根据任务需求快速切换感知模式，支持机器人在未知环境中的自主探索。

3 结论与展望

本研究提出的RO-TWSA成功解决了触觉接口在可重构部署与全向感知方面的关键挑战。通过仿生设计融合摩擦电触须结构与水密封真空吸盘，传感器单元在保持高精度力/运动感知（0.024 N阈值，5°分辨率）的同时，实现了跨表面的可逆锚定。材料优化（MXene掺杂提升开路电压2.05倍）与结构创新（双三角电极布局）使系统在仅使用两个电极的情况下仍具备竞争优势。水凝胶与PBP-硅胶的协同作用则确保了无外部供水条件下的长期稳定吸附。

RO-TWSA在遥操作、机器人触诊与环境探索等多场景中的成功验证，凸显了其作为通用触觉接口的潜力。未来，该技术有望进一步融入机器人、可穿戴系统及复杂环境感知领域，为动态场景下的自适应触觉智能提供新的解决方案。