电子皮肤—用于人机交互的声学和触觉传感器

  HMIs在人和机器之间的交互中发挥着关键作用。大多数现有的可穿戴HMI设备使用低频（1-10赫兹）的触摸或手的动作，如轻拍、弯曲和颤振，以向机器传递简单的命令。

  HMIs的最新发展需要高频信号检测、增强现实、增强现实(AR)和物联网(iot)，需要对HMIs进行精确和直观的控制，以传递来自人类的各种感官和生物信号。除了物体的低频触觉映射外，还需要基于高频振动(80-300Hz)检测的粗糙度和表面纹理感知，以便机器人皮肤精确地感知和操作物体。在各种候选的动态传感器中，摩擦电传感器(TESs)无需额外的电源就能在高频动态刺激下立即响应。

  韩国蔚山国立科学技术研究所Hyunhyub Ko课题组与Jae Joon Kim课题组合作报道了一种基于铁电复合材料的分层大圆顶/微孔/纳米颗粒结构的双模HMIs的频率选择性声学和触觉传感器。该传感器在大范围的动态压力和共振频率范围内显示出高灵敏度和线性，这使得在宽频率范围(145-9000Hz)内具有较高的声频率选择性，从而使噪声无关的语音识别成为可能。

  作者将频率选择多通道声学传感器阵列与人工神经网络相结合，对从100到8000Hz的不同频率噪声显示了超过95%的精确语音识别。证实了双模传感器在广泛的动态压力范围下具有线性响应和频率选择性，有助于区分表面纹理和控制机器人同时使用声学和机械信号作为输入，而不受周围噪声的干扰。

  图1：用于动态界面应用的分层设计的铁电复合材料。(A)使用大圆顶(MD)、微孔(MP)和纳米颗粒(NPs)的分层结构的TES示意图。(B)分层铁电复合材料的各结构成分对TESs压力敏感性的依赖性示意图。(C)图显示了TESs的频率选择性取决于分层铁电复合材料的结构设计。(D)TESs在各种动态接口设备中的应用，包括与噪声无关的语音识别、纹理感知、动态运动检测和使用机械手进行接口。

  图2：分层TESs在动态HMI中的应用。(A)HMI应用智能手套示意图，实现机器人手的纹理感知和远程控制。插图显示了具有传感器、封装层和胶带的每个像素组成。(B)不同线形图案宽度分别为1.5、1.25、1、0.75mm的目标表面纹理的光学图像。通过扫描表面纹理而产生的输出电流的(C)STFT。(D)神经网络可以识别不同的纹理和表面粗糙度。(E)HMI应用的无线网络系统中的控制框图和电子电路。(F)智能手套上的分层TESs的输出电压作为弯曲角度的函数。单位，任意单位。(G)单像素智能手套使用不同弯曲动作的机械手运动控制照片。(H)使用多像素智能手套控制机械手运动的照片。（I）由声音驱动的HMI应用程序的照片。(J)在分离的工作范围内使用频率采集来演示机械手的运动控制。

  作者开发了基于铁电复合材料的高线性和灵敏度的TESs，其分层结构包括MD，MP和陶瓷纳米颗粒。其实现机理是：分层几何结构诱导了不同模量和高变形能力的非均匀材料界面上的应力集中，提供了应力极化的线性梯度，这提高了在较宽的动态压力范围（0至70kPa）内的高灵敏度（36nA/kPa）和线性度（1V/kPa）。

  作者通过在用于识别声波、表面纹理和动态运动的动态接口设备中使用它们，演示了所提出的TESs的能力。利用分层TESs的结构设计，TESs的谐振频率易于调谐，允许在宽频率范围(145至9000Hz)上实现高声选择性。这使得在与噪声无关的语音识别设备的情况下，一个较高的准确率超过95%。此外，TESs的高灵活性和线性响应率有助于检测和区分表面的精细纹理和机器人手的多功能运动。因此，分层TESs作为动态接口应用的下一代传感器具有较大的潜力。

参考链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj9220