智能觸覺傳感器就像人的手一樣至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H讀取如位置、溫度和形狀等物理特征，也可以通過感覺硬度、壓力來執(zhí)行各種操作。
觸覺傳感器是機(jī)器人感知外部環(huán)境的重要媒介，它對(duì)機(jī)器人正確地操作目標(biāo)物體極其重要。在機(jī)器人靈活自如運(yùn)動(dòng)的前提下，要求觸覺傳感器能夠準(zhǔn)確地感知外部環(huán)境，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的各種精準(zhǔn)操作。
迄今為止，觸覺感知機(jī)理、觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識(shí)別、傳感器實(shí)用化等都已成為國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)的研究熱點(diǎn)。
觸覺傳感器的發(fā)展歷程
早在20世紀(jì)70年代，國外的機(jī)器人研究已成為熱點(diǎn)，但是觸覺傳感技術(shù)的研究才剛剛開始。當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺的研究僅限于與對(duì)象的接觸與否、接觸力大小，雖有一些好的設(shè)想但研制出的傳感器很少且設(shè)計(jì)非常簡單。
20世紀(jì)80年代是機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長期。在此期間，傳感器研制、觸覺數(shù)據(jù)處理、主動(dòng)觸覺感知等得到大力發(fā)展，此后有許多物理傳感器開始應(yīng)用于觸覺傳感領(lǐng)域，其突出特點(diǎn)是以傳感器裝置研究為中心，面向工業(yè)自動(dòng)化。
近年來，經(jīng)過國內(nèi)外科研人員的不懈努力，很多新型的觸覺傳感器及觸覺信號(hào)處理方法被研制出來。2008年，日本京都大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種壓電三維力觸覺傳感器，將其安裝在機(jī)器人靈巧手指端，應(yīng)用于外科手術(shù)。
2009年，德國菲勞恩霍夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院的科研人員研制出擁有新型觸覺系統(tǒng)的章魚水下機(jī)器人，可精確地感知障礙物狀況，完成海底環(huán)境的勘測(cè)工作。
最近，美國卡耐基-梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款結(jié)合視覺和觸覺的新一代工業(yè)機(jī)器人“Baxter”。“Baxter”機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)抓取動(dòng)作，通過觸覺感知物體是否滑動(dòng)來控制握力，從而完成一系列抓取動(dòng)作，例如剝香蕉皮等。
觸覺傳感器的分類
觸覺類傳感器研究有廣義和狹義之分。廣義的觸覺包括觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等。狹義的觸覺包括機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺。從功能的角度分類，觸覺傳感器大致可分為接觸覺傳感器、力－力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。
近年來，主流觸覺傳感器根據(jù)其作用原理主要分為5類。
?。?）電容式觸覺陣列傳感器。其原理是外力使極板間的相對(duì)位移發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化，通過檢測(cè)電容變化量來測(cè)量觸覺力。
?。?）電感式觸覺傳感器。它是利用電磁感應(yīng)原理把壓力作用轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。
?。?）光電式觸覺傳感器。它是基于全內(nèi)反射原理進(jìn)行研制的，通常由光源和光電探測(cè)器構(gòu)成。當(dāng)施加在界面上的壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器敏感元件的反射強(qiáng)度和光源頻率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。
（4）壓阻式觸覺傳感器。它是根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的器件，其基片可直接作為測(cè)量傳感元件，擴(kuò)散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。當(dāng)基片受到外力作用而產(chǎn)生形變時(shí)，各電阻值將發(fā)生變化，電橋就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡輸出。
?。?）壓電式觸覺傳感器。在壓力作用下壓電材料兩端面間出現(xiàn)電位差；反之，施加電壓則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。
上述傳感器由于簡單有效，在觸覺應(yīng)用中往往被優(yōu)先選用。隨著智能機(jī)器人、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的觸覺傳感器已難以滿足應(yīng)用需求，觸覺傳感器呈現(xiàn)出全局檢測(cè)、多維力檢測(cè)，以及微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。
觸覺傳感器的應(yīng)用
●工業(yè)制造
在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，幾乎都需要傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對(duì)出現(xiàn)的異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行。新一代的智能傳感器是智能工業(yè)的“心臟”，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)流程持續(xù)運(yùn)行，并讓工作人員遠(yuǎn)離生產(chǎn)線和設(shè)備，保證人身安全和健康。
例如，著名汽車制造商特斯拉、寶馬等的汽車制造車間幾乎空無一人，全靠工業(yè)機(jī)器人完成組裝、噴漆、檢測(cè)等工作。觸覺傳感器將賦予機(jī)器人更類似于人的觸覺，完成抓、握、捏、夾、推、拉等更多靈巧的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)更多的功能。
●假肢
假肢可以使患者的某些行為功能得到恢復(fù)，然而，其觸覺恢復(fù)至今未能實(shí)現(xiàn)。觸覺傳感器的出現(xiàn)或許為截肢患者的觸覺恢復(fù)帶來新的曙光。長期以來，國內(nèi)外眾多研究團(tuán)隊(duì)一直致力于相關(guān)領(lǐng)域的研究。
2015年，美國俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員通過在假手使用者的手臂外圍神經(jīng)中連接壓力傳感器從而使其獲得了觸覺。
2018年，美國斯坦福大學(xué)的鮑哲楠團(tuán)隊(duì)研發(fā)了幾乎完全透明且具有良好彈性的傳感器件。這種傳感器件甚至能清晰地感知一只蒼蠅或蝴蝶停留在其表面所造成的“觸覺”。
●可穿戴電子產(chǎn)品
近年來，隨著柔性電子相關(guān)技術(shù)的不斷突破和創(chuàng)新，可穿戴觸覺傳感設(shè)備得到了迅猛的發(fā)展。它們可模仿人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的觸覺功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)力信號(hào)、熱信號(hào)和濕信號(hào)等的探測(cè)，是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢和輔助人類全面感知自然及自己的核心元件。
可穿戴觸覺傳感設(shè)備通常構(gòu)建在彈性基底或者可伸縮的織物上以獲得柔性和可伸縮性。隨著材料科學(xué)、柔性電子和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，器件的靈敏度、量程、規(guī)模尺寸以及空間分辨率等基礎(chǔ)性能提升迅速。
為了適應(yīng)對(duì)力、熱、濕、氣體、生物、化學(xué)等多刺激分辨的傳感要求，器件設(shè)計(jì)更加精巧，集成方案也更加成熟。
具有生物兼容、生物可降解、自修復(fù)、自供能及可視化等實(shí)用功能的智能傳感器件相繼出現(xiàn)。同時(shí)，穿戴式電子產(chǎn)品朝著集成化方向發(fā)展，即針對(duì)具體應(yīng)用將觸覺傳感器與相關(guān)功能部件（如電源、無線收發(fā)模塊、信號(hào)處理、執(zhí)行器等）有效集成，從而不斷提高用戶體驗(yàn)感。
盡管近年來觸覺傳感領(lǐng)域的研究獲得了眾多突破性的進(jìn)展，然而，其在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨很多挑戰(zhàn)，例如傳感器在反復(fù)變形過程中的性能退化，多維度、多刺激同時(shí)探測(cè)的串?dāng)_解耦，集成傳感系統(tǒng)內(nèi)部器件之間的力、熱、電性能匹配等。
這些挑戰(zhàn)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，為相關(guān)材料制備、器件加工及系統(tǒng)集成指明未來的發(fā)展方向。毫無疑問，觸覺傳感器將朝著更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向發(fā)展，其適用邊界也將極大地拓寬，在更多領(lǐng)域發(fā)揮更加不可替代的作用。
