《Research》：Skin-Inspired Flexoelectret Touch Sensor for Self-Powered and Self-Calibrated Tactile Imaging
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摘要
虽然对于人机界面至关重要，但皮肤上的触觉传感器难以复现人类皮肤的曲面形变力学特性，并且难以同时实现高灵敏度、高线性度、高稳健性和高稳定性。现有的电容式、压阻式、压电式或摩擦电式工作机制无法有效利用触摸诱发的曲面压痕。研究人员引入了一种仿肤柔性驻极体触
摘要
虽然对于人机界面至关重要，但皮肤上的触觉传感器难以复现人类皮肤的曲面形变力学特性，并且难以同时实现高灵敏度、高线性度、高稳健性和高稳定性。现有的电容式、压阻式、压电式或摩擦电式工作机制无法有效利用触摸诱发的曲面压痕。研究人员引入了一种仿肤柔性驻极体触觉传感器，利用挠曲电效应——将应变梯度转换为电信号——来模拟皮肤的曲面形变几何结构。这通过一种建立非均匀形变与电信号之间线性相关性的新颖机制，实现了自供电、自校准的触觉成像。该传感器具有高灵敏度（最高灵敏度可达约835 mV/N）、良好的线性度、卓越的稳健性（连续运行>80,000 s；>8,000次循环），以及对温度波动、紫外光照和湿度干扰的免疫性。一个7 × 7像素阵列展示了形状自适应和触摸轨迹成像能力。该技术为可穿戴电子设备和先进人机交互释放了变革性潜力。
**仿肤柔性驻极体触觉传感器：自供电与自校准触觉成像的研究解读**
**研究背景与问题**
触觉作为人体感知外部环境的重要 modalities 之一，对于感知物体的存在、空间位置、压力强度、形状及触摸轨迹等接触属性具有不可替代的作用。在行为研究、医疗健康、人机交互和机器人应用等领域，开发能够灵敏且稳健地将外部机械刺激转换为电信号的触觉传感技术一直是研究热点。近年来，基于压电生物材料、压电电子晶体管、压电离子皮肤和粘附半导体等新兴原理的皮肤上（on-skin）传感器取得了显著进展。
然而，现有触觉传感技术仍面临核心挑战。首先，传统工作机制如电容式、压阻式、压电式和摩擦电式传感器，难以有效模拟人类皮肤在触摸时产生的曲面形变机制。电容式传感器的灵敏度受限于力-电容距离的非线性关系；压阻式和压电电子式则受限于力-导电路径或幅度的非线性响应；压电式和摩擦电式虽有自供电优势，但通常对温度、光照等环境扰动敏感。其次，现有传感器难以同时兼顾高灵敏度、高线性度、高稳健性和环境抗干扰能力。因此，亟需一种能够真实模拟皮肤曲面压痕几何结构、同时满足上述综合性能要求的新型触觉传感机制。
**研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员提出了一种仿肤柔性驻极体触觉传感器，其核心创新在于利用挠曲电效应——一种可将非均匀形变（如弯曲）转换为电极化的物理效应，在任意对称性材料中均可发生——来模拟真实皮肤触摸时的曲面形变。该传感器采用注入电子的聚四氟乙烯薄膜作为电荷层，夹于两层聚二甲基硅氧烷之间，厚度设为2 mm以匹配真实前臂皮肤的力学特性。当传感器受到触摸时，曲面几何结构诱发非对称电场，产生电位差并输出电信号，从而实现自供电传感。更为独特的是，触摸点周围邻近区域产生的应变干扰信号可被用于精确定位和校准触摸点，实现了自校准功能。
实验结果表明，该传感器具有高灵敏度（最高约835 mV/N）、高线性度（R2 > 0.995）、卓越的稳健性（可承受80,000 s连续测试及超过8,000次机械循环），并对温度波动（20至100 °C）、紫外光照（254和365 nm）和湿度干扰表现出优异的免疫性。基于该机制构建的7 × 7像素阵列成功实现了自供电的形状自适应成像和动态触摸轨迹成像。该研究成果发表于《Research》期刊，为柔性触觉传感器提供了一种全新的设计范式，为人机交互、行为监测、医疗健康和机器人技术的发展开辟了新途径。
**主要关键技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：有限元分析用于验证自供电转换机制；电晕充电技术用于向聚四氟乙烯薄膜注入电荷；射频磁控溅射用于沉积铂/铬金属电极；多通道测量系统用于获取触觉阵列的电压映射和力分布。样本队列来源于模拟真实皮肤力学特性的装置设计和触摸轨迹成像实验数据。
**研究结果**
**仿肤柔性驻极体触觉传感器的设计与机制：** 研究人员将注入电子的PTFE薄膜夹于两层PDMS之间，器件厚度设定为2 mm以模拟真实前臂皮肤压痕-力线性关系。传感机制基于触摸诱导的曲面几何产生非对称电场，导致上下表面间产生电位差ΔV，且ΔV随压痕深度增加而线性增加。实验证实注入电子的器件输出电流比未注入器件高3个数量级，且电流与压痕深度存在90°相位差，表明输出源于曲面诱导而非本征挠曲电响应。该机制属于挠曲电类响应，具有自供电特性。
**模拟验证自供电转换机制：** 有限元分析模拟了触摸下器件的应力、应变梯度分布及曲面几何结构，证实了非对称电场和电位差的产生。模拟结果显示ΔV与压痕深度d呈线性关系，与注入电子表面密度σs也呈强线性相关性，这验证了注入电子产生的非对称电场确实负责输出电响应。
**自供电传感性能：** 在0.6至3.0 mm压痕深度范围内的10次加载/卸载循环中，ΔV响应高度可逆且稳定，响应时间小于约20 ms。力传感在0.07至3.49 N范围内表现出双线性区间：<0.5 N时灵敏度约353 mV/N（R2 > 0.988），0.5至3.5 N区间灵敏度高达约835 mV/N（R2 > 0.995），最小可检测力约为1.2 mN。频率依赖性测试表明，ΔV信号适合频率高于0.1 Hz的触摸传感，而ΔQ信号更适合低频应用，两者可互补检测带宽。
**稳健性与抗干扰能力：** 传感器在80,000 s连续循环测试和8,000次以上机械循环后性能无明显退化，展现出卓越的机械稳健性。在20至100 °C温度范围及254和365 nm紫外光照下，传感性能保持不变。此外，湿度稳定性、可水洗性和重复弯曲测试结果均表明该传感器具有优异的复杂环境抗干扰能力。
**自供电自校准触觉成像：** 7 × 7像素阵列（间距7 mm）成功实现了双指按压的力分布成像、"L"形物体的形状自适应成像以及沿对角线路径的动态触摸轨迹成像。关键创新在于利用相邻像素间的应变干扰信号进行自校准：当触摸施加于电极中心时，左右相邻像素响应信号相等；当触摸偏离中心时，靠近触摸点的相邻像素响应增大，远离者减小，据此可精确定位触摸点。基于应变干扰统计关系，触摸定位精度达1.12 mm（约0.16像素尺寸），接近人类指尖机械感觉神经元感受野尺寸（1至2 mm）。该自校准过程显著优化了触摸轨迹成像的空间分辨率。
**讨论与结论**
研究人员开发的仿肤柔性驻极体触觉传感器有效利用了触摸诱导的曲面几何结构，成功实现了自供电和自校准的触觉成像功能。该传感器兼具高灵敏度（最高约835 mV/N）、高线性度（R2 > 0.995）、卓越稳健性（80,000 s连续测试和超过8,000次循环）以及抗温度、光照、湿度干扰的优异性能。7 × 7像素阵列的触觉成像演示，包括形状自适应成像和触摸轨迹成像，揭示了该皮肤上技术在人机交互、行为监测、医疗保健和机器人领域的广阔应用前景。该研究提出的基于挠曲电效应的设计范式为柔性触觉传感器的发展提供了新的方向。
