仿昆虫摩擦电多模态触觉传感器阵列识别材料文献笔记

type

status

date

slug

summary

香港科技大学（广州）訾云龙/夏欣&暨南大学杨希娅团队受昆虫触角上的钟形感受器的启发，提出了一种利用摩擦电效应的半球形双模态智能触觉传感器(BITS)阵列。

✅ 一、传感器结构设计（BITS）

BITS：Bimodal Intelligent Tactile Sensor（双模态智能触觉传感器）

🌿 仿生灵感来源

灵感来源于昆虫触角上的 钟形感觉器（Campaniform sensilla, CS）：

可同时感知压力和位移信号；
具有小型化、分布广、高灵敏度的特点；
适合模拟柔软度、形变与物体接触感。

📐 BITS的核心结构如下：

组成部分	材料	功能
工作电极	铜柱（表面包覆聚合物）	作为主要感知体，与外界物体接触产生摩擦电信号
摩擦电层	FEP、PVDC、PE、PU等	与被测材料接触发生电子转移，用于生成电信号
参考电极	较低的铜柱（比上电极低1 mm）	提供参考电压，增强稳定性，线性化输出信号
支撑基板	PCB板	固定电极，提供电气连接与支撑
压力传感器	Flexiforce A201	检测接触压力，用于计算杨氏模量
微控制系统	MCU + ADC	采集电压、电流、压力信号，并进行数据传输
外壳结构	高分辨率3D打印件	实现微米级结构封装，便于阵列集成

✅ 二、工作原理详解

1. ✨ 信号感知机制：摩擦电效应 + 电感应

原理基础：摩擦电效应（Triboelectric effect）

两种材料（如：FEP膜与被测PDMS）接触→ 分离，会产生电荷转移；

表面电荷密度不同 → 形成电势差 → 产生电压信号（VOC）；

开路电压 VOC 与接触面积成正比，接触面积与变形量 h 成正比。

2. 📏 双模态感知能力：

模态	感知内容	对应信号
模态一：接触面积/高度	柔软度（变形量）	开路电压 VOC（由摩擦电信号决定）
模态二：接触压力	力学作用量（杨氏模量）	压力传感器输出信号

3. 📐 数学建模：Hertz接触模型（用于模量反推）

✅ 接触力 F 与接触高度 h 的关系：

Es=3(1−vs2)4R1/2⋅(Fh3/2)E_s = \frac{3(1 - v_s^2)}{4R^{1/2}} \cdot \left(\frac{F}{h^{3/2}}\right)

EsE_s：被测材料的杨氏模量；

FF：通过压力传感器测得；

hh：由摩擦电电压信号推算（与接触面积有关）；

vsv_s：材料的泊松比（可查表得知）；

RR：半球电极的半径（已知结构参数）。

4. 📊 VOC信号的变化逻辑：

📌 情况一：无参考电极

VOC,W=σπh2C+δVV_{OC,W} = \frac{\sigma \pi h^2}{C} + \delta V

表现为 电压对接触高度 h 的平方关系（抛物线）；

容易受环境噪声影响。

📌 情况二：引入参考电极（高度低1 mm）

VOC,r=πσC(2hΔh−Δh2)V_{OC,r} = \frac{\pi \sigma}{C} (2h\Delta h - \Delta h^2)

电压变化与接触高度 h 呈线性关系；

抗干扰能力更强，利于精确量化模量。

5. 🧠 机器学习辅助识别

不同摩擦电材料（如FEP, PVDC, PE, PU）与不同物体接触后，产生具有特征性的电压波形图谱；

利用 K近邻算法（KNN） 进行材料类型识别，准确率可达 99.4%；

柔软度识别准确率达 100%；

将多通道信号输入模型后，可自动分类物体的“软/硬”属性及可能的材质。

✅ 三、BITS系统感知流程图（简化）

✅ 四、BITS传感器系统的优势

特性	描述
仿生结构	模仿昆虫感觉器，具有高灵敏度与集成性
双模态检测	同时识别接触压力与变形量
模量可量化	利用Hertz模型实现杨氏模量计算
支持机器学习	利用电信号图谱辅助识别材料类型
小型化/阵列化	支持3D打印微结构，适合柔性电子、机器人
兼容多种摩擦材料	可替换摩擦层识别多种材料的电子亲和性

✅ 五、BITS传感器的制备流程

1. 准备摩擦电层材料

选择以下高纯度聚合物薄膜，作为摩擦电层材料：

FEP（氟化乙烯丙烯）
PVDC（聚偏二氯乙烯）
PE（聚乙烯）
PU（聚氨酯）

将上述薄膜分别粘贴在铜柱的表面上，作为不同摩擦性能的接触层。

2. 制作电极结构

使用 铜柱电极 制作BITS感应单元：

上电极为工作电极，安装有摩擦电层；
下电极比上电极低1mm，作为参考电极，用于消除环境干扰并实现线性输出。

两个铜柱都通过导线引出并固定在 印刷电路板（PCB） 上，排布间距为 10 mm。

3. 组装BITS阵列

利用 高分辨率3D打印机（NanoArch S140，来自BMF Precision Tech）打印微型结构外壳；

将上述BITS感应单元按照阵列排列固定于打印出的微结构平台上，形成 BITS阵列；

为增强导电性，阵列电极使用 银层（Ag） 进行图案化处理，形成电连接层。

4. 压力传感器集成

在PCB背面贴附一块 电阻式压力传感器（Flexiforce A201，量程0~110 N，精度0.01 N）；

该传感器用于实时测量接触压力，与摩擦电信号共同作为判断材料柔软度和模量的依据。

5. 信号采集与传输系统构建

使用开源的多通道数据采集模块：

采集系统：OpenBCI平台 + ADS1299模数转换器（24位分辨率，16 kHz采样率）；

加装 低功耗蓝牙模块（BLE）：

用于无线传输信号到电脑或其他智能终端；

MCU（如STM32）用于控制采集、初步处理和传输任务。

✅ 六、样品制备流程（用于测试材料柔软度和模量）

1. PDMS（聚二甲基硅氧烷）弹性体

在 60°C加热条件下制备；

通过调节预聚体与交联剂的质量比，获得不同柔软度的PDMS样品：

10:1 → PDMS10（最硬）
20:1 → PDMS20（中等）
30:1 → PDMS30（最软）

2. Ecoflex弹性材料

使用Smooth-On公司的Ecoflex橡胶；

混合A、B两种组分（比例为1:1）后常温固化；

对应型号：Ecoflex 00-10、00-20、00-30，分别具有不同的柔软度。

3. 其他样品组合

PDMS/PMMA复合材料： 将PDMS薄膜粘贴在硬质PMMA基板（50 mm × 50 mm × 2 mm）上；

NBR/PU海绵复合材料： 将NBR薄膜贴在软性PU海绵上（50 mm × 50 mm × 3 mm）；

同理，可以将不同材料贴附于硬/软基底进行性能测试。

✅ 七、性能测试与参数标定

1. 接触/分离测试

将BITS阵列固定在 推力计平台（IMADA ZTS-100 N） 上；

测试样品通过 线性电机（LinMot H01） 上下移动，形成接触；

位移范围设置为 0 ~ 2.5 mm，用于模拟触觉压入过程；

同时记录电压信号与施加力。

2. 电性能测试

使用 Keithley 6514静电计 记录BITS的输出信号，包括：

开路电压（VOC）
短路电流（ISC）
电荷量（QSC）

3. 表面电荷密度调控

使用接触-分离式TENG系统 + FEP层；

通过调节接触次数、分离距离等参数来调控PDMS表面电荷密度；

然后测定输出电荷，进而估算电荷密度。

4. 模量计算与线性标定

在接触过程中，利用ΔVn（归一化电压变化）计算接触高度hR；

再结合接触力F，代入Hertz接触模型（公式如下）：