目前，在類(lèi)皮膚觸覺(jué)感知系統研究領(lǐng)域，通過(guò)跨學(xué)科合作有效提升了系統的耐用性、靈敏度和生物相容性，這些進(jìn)展為健康監測、機器人、人機交互等應用領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展前景。然而，當前大多數已報道的觸覺(jué)感知系統，僅在物理接觸條件下才能產(chǎn)生信號，因此在其實(shí)際應用過(guò)程中，基于視覺(jué)圖像、超聲換能器或電磁技術(shù)的外部定位輔助仍然不可或缺。

有趣的是，自然界中的一種夜行性動(dòng)物——鴨嘴獸，早在2500萬(wàn)年前就已經(jīng)解決了這一問(wèn)題。當在水中捕獵時(shí)，鴨嘴獸不依賴(lài)于眼睛、鼻子或耳朵，而是利用其“鴨嘴探測器”作為第六感，來(lái)感知獵物發(fā)出的細微機械運動(dòng)和電場(chǎng)。研究人員從鴨嘴獸的第六感中汲取靈感，通過(guò)將位置檢測與更多的感知功能融合在一套觸覺(jué)感知系統中，將有望開(kāi)發(fā)出能更精準模仿甚至超越人類(lèi)皮膚感知能力的技術(shù)。

據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王中林院士團隊以及德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)Peter Müller-Buschbaum教授團隊等研究人員，在鴨嘴獸第六感的啟發(fā)下，成功開(kāi)發(fā)出一種基于摩擦電傳感器并集成量子棒（QRs）增強功能的新型觸覺(jué)感知系統。該系統可作為單電極模式摩擦納米發(fā)電機（TENG），用于位置檢測與垂直力感測，具有高靈敏度和快速響應特性。此外，通過(guò)在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中集成CdSe/CdS QRs，該系統可以通過(guò)改變發(fā)光層來(lái)感知不同的橫向拉伸水平。在機器學(xué)習技術(shù)的支持下，該系統能夠在微控制器單元平臺上對18種不同物體實(shí)現高達98.5%的識別準確率，這為智能機器人的智能分揀應用開(kāi)辟了一條便捷的路徑。相關(guān)研究成果以“A multi-dimensional tactile perception system based on triboelectric sensors: towards intelligent sorting without seeing”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

在這項研究工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于單電極模式TENG的摩擦電傳感器，其特別之處在于增加了具有QRs功能的發(fā)光層。這種設計通過(guò)基于PDMS的TENG產(chǎn)生的電輸出，實(shí)現了非接觸式定位檢測和自供能垂直力感測。通過(guò)添加功能性CdSe/CdS QRs，因其在紫外光和可見(jiàn)光照射下可被激發(fā)，能實(shí)現隨條件變化的發(fā)光效果，可用于橫向拉伸感測。通過(guò)在PDMS復合膜的表面采用波浪形結構，將力感測分辨率提高了28.0%。
 

此外，研究人員展示了摩擦電傳感器的魯棒性和獨立感測能力。通過(guò)集成軟夾持器和計算機控制的機械臂，構建了一種基于8個(gè)摩擦電傳感器的觸覺(jué)感知系統，專(zhuān)門(mén)用于智能分揀。該觸覺(jué)感知系統能夠依靠力信號成功抓取并識別18種不同的物體，準確率達到96.3%，并且通過(guò)光信號的輔助，準確率可進(jìn)一步提升至98.5%。進(jìn)一步地，研究人員基于該觸覺(jué)感知系統設計了一個(gè)“無(wú)需視覺(jué)”的智能分揀系統，無(wú)需任何外部定位裝置即可實(shí)現位置檢測。此外，得益于紫外光的潛在殺菌功能，該系統可滿(mǎn)足智能家居和智能工廠(chǎng)應用中對智能化和節能分揀的需求。
 

綜上所述，這項研究工作利用機器學(xué)習技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)了一種基于摩擦電傳感器的多維觸覺(jué)感知系統。該系統融合了位置檢測和智能抓取功能，可實(shí)現“無(wú)需視覺(jué)”智能分揀，用于物品檢測、識別和搬運等任務(wù)。該多維觸覺(jué)感知系統未來(lái)有望在智能家居和智能工廠(chǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大應用潛力。