广东工业大学：用于健康监测和机器人技术的柔性自供电触觉传感最新进展

在现代科技时代，将传感功能集成到健康监测系统和机器人平台中已成为提高人类生活和工业效率的一种变革性方法。材料科学、电子工程和跨学科合作正在推动柔性电子技术的快速发展，与此同时，健康监测、人机交互、机器人等领域对可穿戴式触觉传感器的需求也在不断增长。这些应用场景要求触觉传感器具有高灵敏度和长期稳定工作能力。然而，驱动可穿戴传感器需要额外的电源，这会降低传感系统的灵活性，增加重量，从而降低佩戴体验。因此，从生物运动和环境中获取能量已成为替代传统电源的一种前景广阔的方法。特别是自供电触觉传感技术，由于能够通过将机械能转化为电能来产生自身的工作电源，因此在各种传感技术中脱颖而出。这对于需要连续运行的健康监测设备和自主发电对独立运行至关重要的机器人技术尤为重要。

触觉是人类感知世界的基本方式之一，而触觉传感器则是模仿人类触觉功能的人工设备，它们可以将机械刺激转化为电信号，从而实现对环境的感知和控制。随着技术的不断发展，自供电触觉传感器受到了广泛关注。这不仅是因为它们具有能源自主性，可大大降低能源短缺对设备使用的影响，还因为它们的触觉传感能力将实现更精细、更人性化的感知模式。因此，近十年来开发出了大量自供电柔性触觉传感器，并广泛应用于健康和运动监测机器人、生物医学等领域。触觉传感器的性能和可靠性取决于其传感机制和结构设计。摩擦起电式传感器和压电式传感器可通过采集机械能和检测动态压力实现自供电。电容式和压阻式传感器具有较大的动态和静态压力检测范围，但需要电源，从而增加了重量，降低了触觉传感系统的灵活性。尽管压阻传感器因其工作机制而需要外部电源才能工作，但通过与自供电电子元件相结合，它们可以实现自供电。

作为现代医疗保健的重要组成部分，健康监测的发展不仅促进了对最新数据的依赖，而且还需要管理和处理越来越多的数据。如何实时、准确、非侵入式地获取和处理数据已成为健康监测领域的一大挑战。自供电触觉传感器可以巧妙地集成到可穿戴设备中，对心跳、血压呼吸和运动等人体健康状况进行无创监测，这对长期健康管理和疾病预防至关重要。这也意味着需要确保传感器准确捕捉微弱的生理信号,这对确保监测数据的可靠性至关重要。此外，还需要高效的算法来处理和分析收集到的大量数据，从而提供实时、准确的健康反馈。传统的供电方法需要内置电池或频繁连接外部电源进行充电，这既增加了相关设备的重量和体积，也限制了设计的灵活性和持续的能源供应。因此，自供电传感技术的应用是克服这一障碍的有效手段。通过将人体肢体运动、心肺运动和血液流动产生的生物力学能量转化为电能，减少了对传统电池的依赖，提高了便利性，并使长时间监测成为可能。同样，现代机器人技术也面临着类似的挑战。随着机器人应用领域的扩大，对更精细的运动控制、感知以及在非结构化环境中对环境的理解提出了更高的要求。通过利用环境能源，这项技术有助于减少机器人对外部能源的依赖，提高机器人在无人环境中自主运行的能力。然而，在复杂的操作环境中，传感器必须足够耐用和可靠，以确保长时间稳定运行。自供电触觉传感器以其实时检测生理信号的独特能力满足了这些需求，为机器人技术的发展提供了新的动力。

研究成果

过去几十年来，触觉传感技术在健康监测和机器人领域取得了长足的进步。与传统传感器相比，自供电触觉传感器无需外部电源驱动，使整个系统更加灵活轻便。因此，自供电触觉传感器是模拟可穿戴健康监测触觉感知功能的理想选择，也是智能机器人理想的电子皮肤(e-skin)。广东工业大学孙启军教授团队在这篇综述中首先介绍了各种自供电触觉传感平台的工作原理、材料和设备制造策略。然后介绍了它们在健康监测和机器人技术中的应用。最后,讨论了自供电触觉传感系统的未来前景。相关报道以“Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. Overview of working mechanisms, system integration, and applications of self-powered tactile sensing.

Figure 2. Working mechanism of self-powered tactile sensors.

Figure 3. Materials and device structure of piezoelectric tactile sensors.

Figure 4. Materials and device structure of triboelectric tactile sensors.

Figure 5. Materials and device structure of piezoresistive tactile sensors.

Figure 6. Self-powered tactile sensing systems combined with solar cells.

Figure 7. Self-powered tactile sensing systems combined with batteries.

Figure 8. Self-powered tactile sensing systems combined with supercapacitors.

Figure 9. Self-powered tactile sensing for blood pressure and pulse monitoring.

Figure 10. Self-powered tactile sensing for gait, respiratory and sleep monitoring.

Figure 11. Self-powered tactile sensing for environment recognition, object recognition and grasping.

Figure 12. Self-powered tactile sensing for object material recognition, HMI and VR.

来源： i学术i科研

文献链接 Recent Progress on Flexible Self-Powered Tactile Sensing Platforms for Health Monitoring and Robotics https://doi.org/10.1002/smll.202405520

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