要你徒手拿起而不捏碎一塊豆腐並不容易，但裝有新型觸覺傳感器陣列的機(jī)械手卻輕易做到！由香港城市大學(xué)（香港城大）科研人員共同領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)，早前研發(fā)出能夠?qū)崟r(shí)區(qū)分不同外界刺激的觸覺傳感器陣列，有望應(yīng)用於電子皮膚甚至智能假肢，令身體有殘缺者重拾觸感，改善他們的生活素質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)由香港城大機(jī)械工程學(xué)系（MNE）的助理教授楊征保博士，以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的學(xué)者共同領(lǐng)導(dǎo)。研究的結(jié)果已於科學(xué)期刊《Advanced Science》上發(fā)表，題為〈Skin-inspired Piezoelectric Tactile Sensor Array with Crosstalk-free Row+column Electrodes for Spatiotemporally Distinguishing Diverse Stimuli〉。

受人體皮膚啟發(fā)的觸覺傳感器

皮膚賦予人類觸覺，我們可以同時(shí)感覺到各種外界刺激的強(qiáng)度和模式，例如分辨出按壓的力度等。舉個(gè)例子，假如感覺手中拿的瓶子向下滑了，我們就會(huì)調(diào)整力度抓實(shí)瓶子。然而目前模仿人類皮膚的觸覺傳感器，卻往往未能即時(shí)感知及分辨出外界刺激的不同模式，例如未能分辨是滑動(dòng)還是按壓，因此即使裝上觸覺傳感器，機(jī)械手仍然未及人手般靈活。

楊博士與研究團(tuán)隊(duì)受人體皮膚的結(jié)構(gòu)所啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)出可以實(shí)時(shí)區(qū)分到不同刺激的強(qiáng)度、確實(shí)位置以及模式的壓電式觸覺傳感器陣列。與同類設(shè)備相比，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的技術(shù)具有更高的靈敏度和耐用性，而且反應(yīng)更快速。楊博士說：「我們這個(gè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測和區(qū)分單一傳感器內(nèi)測量到的不同外部刺激。而且傳感器作出反應(yīng)的速度極快，反應(yīng)時(shí)間可以短至10毫秒，甚至比人體皮膚還要快！」

 

新型觸覺傳感器陣列由保護(hù)層、隔離層和感知層而組成。「這個(gè)結(jié)構(gòu)令傳感器能夠測量到更多的時(shí)空信息（spatiotemporal information）。」楊博士解釋說。

壓電效應(yīng)（piezoelectricity）是指電介質(zhì)材料中，機(jī)械能與電能互換的現(xiàn)象。 研究團(tuán)隊(duì)這種基於壓電薄膜的觸覺傳感器陣列，便利用壓電效應(yīng)原理，能將外界的刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理並結(jié)合邏輯算法（logical algorithm），傳感器能即時(shí)判斷出外界刺激的大小和模式，例如輕微滑動(dòng)，按壓和彎曲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明傳感器陣列能夠同時(shí)「感應(yīng)到」彎曲的半徑和彎曲方向，以及同時(shí)精確捕捉到多個(gè)外界刺激點(diǎn)的確實(shí)位置。

而為了縮小傳感器的尺寸，團(tuán)隊(duì)一改現(xiàn)行「行 x列（row x column）」的電極排列模式，研發(fā)出「行+列（row + column）」的電極模式，結(jié)果大大減少所需的接駁線路數(shù)量，減省成本之餘更成功解決了現(xiàn)有傳感器普遍存在的信號(hào)串?dāng)_問題。

成功將豆腐抓住而不捏碎

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)果裝有觸覺傳感器的機(jī)械手由於得到實(shí)時(shí)的反饋，適時(shí)調(diào)整力度，成功將易碎的豆腐抓住而沒有捏碎。相反，未裝有觸覺傳感器的機(jī)械手就捏碎了豆腐。這顯示出技術(shù)應(yīng)用於人機(jī)界面的巨大潛力，並促進(jìn)了智能假肢和機(jī)械手的發(fā)展，更或可被工業(yè)界用以處理柔軟和易碎的產(chǎn)品。 

^{裝有觸覺傳感器的機(jī)械手成功將豆腐抓住而沒有捏碎。（楊博士團(tuán)隊(duì)提供）}

^{未裝有觸覺傳感器的機(jī)械手則捏碎了豆腐。（楊博士團(tuán)隊(duì)提供）}

或能為皮膚受損者重建觸覺

此外，技術(shù)也或能用於重建人類觸覺系統(tǒng)，例如嘗試令皮膚受損者及截肢者重拾觸覺。而且團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳感器還可以協(xié)助監(jiān)測人體的健康狀況，實(shí)驗(yàn)證明能準(zhǔn)確檢測出微弱的脈搏。楊博士更透露，在實(shí)驗(yàn)中他們的技術(shù)靈敏得可以檢測到微小昆蟲例如蜘蛛的急速移動(dòng)。

楊博士總結(jié)道：「我們的研究補(bǔ)足了現(xiàn)有傳感器在實(shí)時(shí)感測和區(qū)分各種刺激上的技術(shù)不足，並為傳感器的設(shè)計(jì)和大面積可擴(kuò)展製造帶來啟示。」這種實(shí)時(shí)區(qū)分不同刺激的技術(shù)用途廣泛，可用於電子皮膚、健康監(jiān)測和機(jī)器人。

楊博士與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的胡泓教授是論文的共同通訊作者。論文的共同第一作者是來自香港城大MNE的研究助理林偉康和博士生王標(biāo)。其他聯(lián)合作者包括同樣來自MNE的博士生單堯和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的研究人員。

研究獲得香港城大、香港研究資助局和國家自然科學(xué)基金會(huì)的資助進(jìn)行。

DOI number: 10.1002/advs.202002817