触觉传感器的分类与工作原理分析
触觉传感器的分类与工作原理分析
触觉传感技术作为当今一个热门的研究领域，出现了多种传感器，有着许多不同的传感机制。本文将对一些常见的触觉传感器进行分类和机理分析。
传感器分类
根据是否需要外部供电，触觉传感器可以分为两大类：
- 无需供电型：摩擦电式、压电式、磁场式、电位式
- 供电型：变阻式、电容式、电感式、光导式、热导式
各传感器的大概原理
摩擦电式
摩擦电传感器的工作原理基于两种不同材料接触时的带电特性差异。当两种材料接触或分离时，会因带电特性的不同而产生等量的异种电荷。例如，一个易于带负电的材料接触或摩擦一个易于带正电的材料时，电子会从一个材料转移到另一个材料。通过在材料背面放置电极，可以采集到这种电荷转移产生的感应信号。
- 接触-分离式：两种材料的靠近与分离使得电极感应电荷转移，如靠近时，电子由下电极转移至上电极；分离时，电子由上电极转移至下电极。
- 横向滑动式：也是感应电荷在电极中的转移，如材料1向右滑动时，电子由上电极向下电极转移；向左滑动时，电子由下电极向上电极转移。
- 单电极式：电极既充当摩擦电材料，又作为电极，会有电极由于接触产生的材料间的电荷转移的信号，还有感应信号。
- 独立摩擦电层式：材料1的左右滑动，导致左右电极与材料的接触面积不同，进而产生感应电荷。
通过较快的接触分离速度、采用带电能力截然相反的材料、充分接触等方式，可以增大摩擦电信号。
压电式
压电传感器主要由两端电极和压电晶体组成。
当施加压力时，压电晶体的极化现象会在其两个相对表面上产生正负相反的电荷。去除外力后，它会恢复到不带电的状态。在压电晶体的两端添加电极，由于极化现象的存在导致电极出现感应电荷，电荷流过电阻的信号可被采集以分析。不同的受力将产生不同的压电信号（大小或方向），从而实现力的感知。
磁场式
磁场式传感器利用磁能生电的原理。例如，一种研究在PDMS中嵌入磁性颗粒并呈现‘SNS’的排列形式。按压或剪切力等对PDMS产生变形，导致由磁性颗粒产生的磁场发生变化，这种变化被底部的霍尔元件所感应，产生不同的信号。
（图片来源：Yan, Youcan, et al. "Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling." Science Robotics 6.51 (2021): eabc8801.）
变阻式
变阻式的传感形式多样，如光敏、温敏、力敏等。这里主要介绍力敏的变阻式传感器。
一种柔性变阻式传感器的制作方法是在硅胶等高分子聚合物中参入导电粒子（如碳纳米管、银粉等），经过充分搅拌后固化所得。当施加向下的压力时，受力部分内部的导电粒子被挤开，导致导电通路的减少，因此电阻增加；同理，当施加力压缩传感器时，内部导电粒子之间的间隙被减小或相互接触的更多，因此电阻减小。
另外，还有在海绵中附着导电碳纳米管的变阻式传感器。由于导电碳纳米管附着于海绵骨架上，当海绵受力变形时，附着的导电碳纳米管相互接触或分离、拉长或收缩，都将导致电阻的改变。
（图片来源：Wang, Duorui, et al. "Sensing-triggered stiffness-tunable smart adhesives." Science Advances 9.11 (2023): eadf4051.）
电容式
电容式传感器的工作原理基于电容的特性，如电容两极板间的距离、重合面积等都将影响电容极板间的电荷情况。通过监测电荷转移情况，可以判断受力等，并且对电容极板进行不同的布置能够实现剪切力等的感知。
光导式
光导式传感器通过改变光导路径参数以实现光的强弱变化。当存在光源和接收器时，接收器接收到的不同强度光可以判断路径中存在的干扰或者相应变化。
（图片来源：Kim, Taekyoung, et al. "Heterogeneous sensing in a multifunctional soft sensor for human-robot interfaces." Science robotics 5.49 (2020): eabc6878.）