人体皮肤能将有关机械、热等多种信息同时传递给大脑，从而使我们能够有效和安全地对周围环境进行感知。近年来，模拟人类皮肤的电子设备代表了一个新兴且有前途的方向，可用于人形机器人、仿生假肢和人工智能等领域。其中，具有多模传感能力的触觉传感器是开发人造皮肤的基石中国机械网okmao.com。然而，在不涉及复杂算法和计算的情况下，能直观且无干扰地读取多个触觉信号对于当前传感器而言仍然是一个挑战。
广西大学/北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员、深圳大学Wang Chunfeng等人通过结合光学和电子学的不同传感机制，报道了一种无干扰的压力-温度双模触觉传感器，其能够同时且独立地传感压力和温度，而无需信号分离算法和计算。压力通过含有ZnS-CaZnOS 的机械发光复合材料的压电/摩擦光子效应进行视觉识别，温度传感则通过聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）的热阻效应实现。该器件在21~60℃范围内表现出最高的温度灵敏度-0.6%℃-1，并在2 N的低载荷限制下对所施加的力进行视觉感应。其无干扰和发光特性可用于机器人技术中的人机交互式应用程序，实现加密通信、温度和压力监测，以及无线信号传输。这项工作为多模态触觉传感器的信号干扰提供了一种未曾报道的解决方案，可以扩展到其他多功能传感设备。该研究以题为“Bimodal Tactile Sensor without Signal Fusion for User-Interactive Applications”的论文发表在《ACS nano》上。
【双模传感器的设计与组成】
作者提出了基于机械发光和热电阻的异构传感机制，用于实现双模传感器。作者将由PEDOT:PSS薄膜和铜叉指电极组成的温度传感器夹在两个丙烯酸聚合物发光层之间，并在发光层中加入了ZnS-CaZnOS双相机械发光复合材料，使其能在多种机械刺激下发光。该传感器可以在2 N的小载荷下发光，并且发光强度随着力的增加而增加，该发光属性允许其对施加的力进行视觉传感和成像。PEDOT:PSS因其良好的电气和机械性能而被选择用于制造温度传感器，其温度依赖性源于它的热阻效应。其载流子迁移率随着温度升高而增加，导致在高温下的电阻降低，能在21~60℃范围内表现出最高的温度灵敏度-0.6%℃-1。
图1用于压力和温度传感的双模传感器
图2单模压力传感性能
【双模压力-温度传感】
双模传感器的测试装置如图3所示。样品温度由连接到直流发电机的Peltier组件控制，并通过电机向样品施加载荷。作者分别使用LCR计和光谱仪同时收集和记录响应温度和压力的传感信号。双模传感器在相同温度、不同施加载荷下表现出相似的温度响应，其热响应曲线在变化的载荷下基本一致，这表明双模传感器在温度传感期间对压力不敏感。当所受载荷一致时，其不同温度下的机械发光光谱能很好地重叠，这表明双模传感器在压力传感期间对温度不敏感。此外，作者研究了双模传感器对压力和温度的同时独立传感，其在压力和温度不断变化的刺激下，光电传感信号始终保持一致，这证明了该双模传感器的无干扰传感能力。
图3 双模传感性能
【人机交互应用】
具有感官反馈的人机交互界面对于人形机器人感知外部刺激并同时与人类交换信息具有重要意义。双模传感器具有双模传感和发光功能，可用作机器人的人机交互界面，其不仅可以感知外部温度和压力刺激，还可以将压力转换为机器人可以识别的加密信息。作者还演示了传感器的同时信息转换和温度传感功能，其能明确识别物体上的温度和力传递信息。此外，为了实现人机交互系统的远程交互和监控，作者演示了使用定制开发的应用程序将感官数据从交互设备无线传输到智能手机，实现可以远程同时读取力传递的信息以及温度和压力的传感信号，从而方便佩戴者和监督者之间的交互，这在无线健康监测系统中展现出了巨大的潜力。
图4用于用户交互应用的双模传感器
总结：作者展示了一种用于触觉传感和用户交互应用的温度-压力双模传感器，而无需复杂的信号融合计算。压电/摩擦光子和热阻效应的组合传感机制能够将机械和热刺激分别独立转换为光和电信号，其温度灵敏度高达-0.6%℃-1，载荷检测限制为2 N。此外，作者演示了该传感器对外部刺激的感知以及将压力转换为加密通信信息的能力，以此开发了用于远程信息交互和健康监测的无线传感系统。这项工作为由多种异构机制组成的多模态传感器的开发提供了新的思路。
