近日，韓國漢陽大學(xué)王偉教授團隊提出一類基于接觸起電和靜電感應(yīng)原理的自供能柔性傳感器陣列。這一成果不僅解決了傳統(tǒng)傳感器系統(tǒng)復(fù)雜性高、成本昂貴的問題，更在柔性電子領(lǐng)域開創(chuàng)了一種全新的陣列式傳感器設(shè)計模式。

圖 | 王偉（來源：王偉）

在傳統(tǒng)設(shè)計中，傳感器的信號通道數(shù)量與觸控點數(shù)量呈線性關(guān)系，這意味著，觸控點的增加會導(dǎo)致信號通道數(shù)量及系統(tǒng)復(fù)雜度的顯著提升。而本次傳感器陣列采用一種簡化信號通道的創(chuàng)新架構(gòu)。

該團隊通過提出一種全新的方法，通過引入相互獨立的靜電感應(yīng)單元，使得信號通道的數(shù)量僅是觸控點數(shù)量的一半，甚至僅需單個信號通道。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不僅減少了硬件成本，還顯著提升了系統(tǒng)的擴展性，為多點觸控和復(fù)雜交互系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支持。

此外，他們在材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上也取得了重要進展。通過使用天然原材料制備傳感器陣列，展示了一種低成本、高效的制造方式，同時兼顧了環(huán)境友好性。這種基于接觸起電和靜電感應(yīng)的設(shè)計使得傳感器無需外部供電即可正常工作，實現(xiàn)了“自供能”目標。這一特性使傳感器在電源有限的場景中（如可穿戴設(shè)備和遠程操作機器人）表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。

更為重要的是，這項研究還揭示了一種新型信號傳輸和識別的規(guī)律。通過對傳感器信號的精準采集與解碼，他們成功地將觸控信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以實現(xiàn)復(fù)雜的交互操作。

研究顯示，這種設(shè)計在電子皮膚、游戲控制器和智能機器人領(lǐng)域具有極強的適用性。例如，他們展示了傳感器在控制手機撥號、計算器輸入、機械臂操作以及電子鋼琴等應(yīng)用中的卓越性能。這些功能的實現(xiàn)表明，該傳感器具備極高的靈敏度、穩(wěn)定性和多功能性。

總之，這項研究不僅提供了一種全新的柔性傳感器設(shè)計方案，還在原理層面和技術(shù)層面上為人機交互系統(tǒng)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一成果不僅有助于拓寬柔性電子的研究方向，也為智能設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用提供了新的可能性。

未來，以下領(lǐng)域可能會從中受益：

1. 人機交互設(shè)備的提升與創(chuàng)新

通過利用簡化信號通道的多信號輸出機制，傳感器陣列可以顯著優(yōu)化游戲操縱桿、電子皮膚、機器人控制器等設(shè)備的響應(yīng)信號通道數(shù)量。尤其是在電子皮膚領(lǐng)域，該技術(shù)為智能手套、虛擬現(xiàn)實觸覺設(shè)備提供了更為簡單的設(shè)計方法。

2. 綠色低成本智能設(shè)備的開發(fā)

傳感器采用原材料如天然橡膠和未經(jīng)處理的樹葉為核心組件，不僅顯著降低了生產(chǎn)成本，還對環(huán)保制造提供了新思路。例如，研究中展示的樹葉制成的電子鋼琴按鍵，展示了可再生資源在智能設(shè)備中的潛力。結(jié)合該技術(shù)，未來有望涌現(xiàn)一批綠色、低能耗且功能強大的消費級智能硬件。

3. 自動化系統(tǒng)與機器人技術(shù)的優(yōu)化

傳感器在機器人控制器中的應(yīng)用展示了強大的信號解讀能力，為復(fù)雜機械系統(tǒng)的自動化帶來了新的可能性。未來，該成果可為柔性機器人和工業(yè)自動化生產(chǎn)線的傳感器系統(tǒng)提供可靠支持，促進其精度和可靠性的進一步提升。

4. 智能教育與娛樂設(shè)備的拓展

在游戲角色控制和機械臂控制所展現(xiàn)的應(yīng)用場景，傳感器陣列在智能教育和娛樂設(shè)備中也大有可為，為創(chuàng)造交互性更強的產(chǎn)品提供了技術(shù)支持。未來數(shù)年內(nèi)，這些應(yīng)用可能會走入課堂和家庭，為教育和休閑娛樂帶來更多創(chuàng)意可能。

那么，這一研究具體是如何完成的？

最初，他們從人機交互技術(shù)的發(fā)展中發(fā)現(xiàn)了一些瓶頸，尤其是在傳感器陣列復(fù)雜度和高效性之間的權(quán)衡上。他們意識到，現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)雜的布線設(shè)計和昂貴的材料成本限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此，該團隊定下設(shè)計一種自供能、低成本的傳感器陣列的目標，并希望能同時簡化信號通道，提升人機交互的響應(yīng)能力。

基于接觸起電和靜電感應(yīng)原理，他們提出了兩種傳感器陣列設(shè)計方法。這一階段的重點是尋找合適的材料來實現(xiàn)傳感器的性能和成本的平衡。后來，他們決定結(jié)合天然橡膠和聚氯乙烯兩種低成本材料，并進一步探索未經(jīng)處理的樹葉作為傳感器組件的可能性。這個決定不僅體現(xiàn)了他們對環(huán)保和可持續(xù)性的關(guān)注，也為后續(xù)研究帶來了不少意外驚喜。

在制備過程中，他們不斷優(yōu)化傳感器陣列的結(jié)構(gòu)，以便實現(xiàn)更高的靈敏度和多樣化的信號輸出。這一階段涉及大量的實驗調(diào)整，例如優(yōu)化電極排布等實驗。在功能驗證方面，他們將傳感器陣列應(yīng)用于多種場景，包括游戲操控桿、電子皮膚、機器人控制器，以及基于樹葉的電子鋼琴按鍵。

事實上，使用未經(jīng)處理的樹葉作為傳感器的材料。這是一個看似不太可能成功的實驗，但他們想通過這次嘗試來驗證傳感器設(shè)計的普適性。起初，他們很擔心用未經(jīng)處理的樹葉能否實現(xiàn)穩(wěn)定的信號輸出。然而，實驗結(jié)果卻令人驚喜——傳感器不僅能夠正常工作，還生成了清晰并且可識別的信號。這一發(fā)現(xiàn)充分驗證了傳感器設(shè)計的多樣化潛力。

（來源：Advanced Functional Materials）

在證明傳感器陣列的可行性之后，他們進一步研究其在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。例如，用傳感器操控游戲角色和機械臂動作等。為了讓實驗更具說服力，課題組不斷調(diào)試交互系統(tǒng)，確保信號輸出的穩(wěn)定性和應(yīng)用的多樣性。

日前，相關(guān)論文以《自供電、基于原材料的傳感器陣列，用于人機交互的信號通道最小化》（Self-Powered, Raw Material-Based Sensor Arrays with Minimized Signal Channels for Human-Machine Interaction）為題發(fā)在Advanced Functional Materials[1]，韓國漢陽大學(xué)博士生阿世偉和博士后研究員王森是共同一作，王偉擔任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

未來，他們計劃從多個維度進一步深化本次研究的影響力和應(yīng)用價值。

首先，他們計劃優(yōu)化傳感器的設(shè)計和性能，以便適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場景。例如，通過引入更多類型的低成本原材料或功能性填料，進一步提升傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，同時擴展其適用環(huán)境比如高濕度、高溫度或復(fù)雜機械擾動條件下的可靠性。

其次，在信號處理方面，他們希望進一步開發(fā)更智能化的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化傳感器的信號解析能力。這樣的改進將使傳感器更好地適應(yīng)復(fù)雜的人機交互場景，例如動態(tài)監(jiān)測復(fù)雜手勢、語音手勢融合交互等。

再次，他們將探索傳感器在生物醫(yī)學(xué)和柔性機器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。例如，利用其低成本和柔性特點，可以將其集成到可穿戴醫(yī)療設(shè)備中，實現(xiàn)對患者動作和健康狀態(tài)的實時監(jiān)控；或者在柔性機器人中，通過傳感器陣列的精確反饋提升機器人的觸覺等感官的能力。

參考資料：

1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416163

審核編輯 黃宇