隨著人工智能和人機(jī)交互技術(shù)的快速發(fā)展，觸覺傳感技術(shù)作為將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為可讀信號的關(guān)鍵工具，受到了廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)前主流的觸覺傳感技術(shù)多基于摩擦電效應(yīng)，雖具有自供電、高靈敏度等優(yōu)點，卻極易受環(huán)境濕度、灰塵等干擾，導(dǎo)致在復(fù)雜實際應(yīng)用中可靠性和耐久性大幅下降。此外，現(xiàn)有的機(jī)械發(fā)光材料雖能通過機(jī)械應(yīng)力發(fā)光，但大多發(fā)射可見光，需搭配昂貴的專用探測器并在黑暗環(huán)境中使用，限制了其實際應(yīng)用。

近日，河北大學(xué)索浩副教授和香港城市大學(xué)王鋒教授、Zhang Xin博士合作提出了一種新型自供電觸覺傳感平臺，該平臺利用壓電材料實現(xiàn)機(jī)械-光電轉(zhuǎn)換，成功克服了環(huán)境干擾問題。研究團(tuán)隊開發(fā)出一類新型ScBO?:Cr3?晶體，能在單一機(jī)械壓力下通過自恢復(fù)機(jī)械發(fā)光產(chǎn)生強(qiáng)寬帶近紅外光。通過組合摻雜策略，實現(xiàn)了在寬波長范圍內(nèi)對發(fā)光譜的精確調(diào)控，并利用普通硅光電二極管實現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換，最終構(gòu)建出響應(yīng)快、閾值低的觸覺筆，在復(fù)雜光照和濕度環(huán)境下仍能借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法準(zhǔn)確進(jìn)行簽名認(rèn)證。相關(guān)論文以“A Self-Powered Tactile Sensor Resistant to Environmental Interference”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1比較了三種觸覺傳感系統(tǒng)的工作原理與性能差異。傳統(tǒng)的摩擦電觸覺傳感器在高濕環(huán)境中性能顯著下降，水分滲入會導(dǎo)致電荷中和與耗散；可見光機(jī)械發(fā)光傳感系統(tǒng)雖能實現(xiàn)光學(xué)成像與電子傳感，但依賴昂貴的可見光探測器且需在暗環(huán)境中操作以避免環(huán)境光干擾；而本研究提出的系統(tǒng)采用壓電近紅外機(jī)械發(fā)光作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，搭配低成本硅光電二極管，不僅光電轉(zhuǎn)換效率高，還具備強(qiáng)大的抗環(huán)境光和濕度干擾能力。

圖1：交互式觸覺傳感系統(tǒng)示意圖。 a) 摩擦電觸覺傳感器在高濕度環(huán)境中通常性能顯著下降。水分滲入摩擦電層會改變導(dǎo)電性并導(dǎo)致電荷中和，而環(huán)境濕氣則會促進(jìn)電荷耗散。 b) 可見光機(jī)械發(fā)光轉(zhuǎn)換的觸覺傳感系統(tǒng)依賴昂貴的可見光電探測器，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些設(shè)備通常需要在黑暗環(huán)境中操作以避免環(huán)境光干擾。 c) 本研究提出的觸覺傳感系統(tǒng)利用壓電近紅外機(jī)械發(fā)光作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，搭配低成本硅光電二極管。該系統(tǒng)具有高光電轉(zhuǎn)換效率和強(qiáng)大的抗環(huán)境光與濕度干擾能力。

圖2展示了ScBO?:Cr3?晶體的結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光特性。該晶體具有菱面體結(jié)構(gòu)，Sc3?位點可容納多種摻雜離子，X射線衍射與精修結(jié)果證實了Cr3?的成功摻雜。高分辨透射電鏡與元素映射顯示晶體結(jié)晶度高且鉻元素分布均勻，X射線光電子能譜進(jìn)一步確認(rèn)Cr3?為三價態(tài)。拉曼光譜中BO?單元振動峰的紅移表明局部對稱性隨摻雜發(fā)生變化。在466 nm激發(fā)下，樣品發(fā)射出中心波長812 nm、半高寬135 nm的強(qiáng)近紅外寬帶光，源于Cr3?的?T?→?A?躍遷，其微秒級快速衰減特性為高頻機(jī)械傳感提供了可能。

圖2：結(jié)構(gòu)與光致發(fā)光表征。 a) ScBO?晶體結(jié)構(gòu)示意圖，突出顯示[ScO?]和[BO?]單元。 b) ScBO?:Cr3?（2%）晶體的X射線衍射圖譜全譜擬合精修結(jié)果。 c) 隨機(jī)選取的微晶的高分辨透射電鏡圖像、選區(qū)電子衍射圖譜及元素映射。測得的0.28 nm晶面間距可指標(biāo)化為菱面體ScBO?的{104}晶面。 d) ScBO?:Cr3?（2%）晶體的高分辨率Cr-2p XPS譜圖。576.4 eV和586.4 eV處的峰歸屬于Cr3?的2p?/?和2p?/?雙峰。 e) 未摻雜與Cr3?摻雜ScBO?晶體的拉曼光譜。插圖顯示了Cr3?摻雜引起[BO?]振動的可能機(jī)制。E_g峰在Cr3?摻雜后從398.35 cm?1移至403.07 cm?1。 f) ScBO?:Cr3?晶體在303 K和4 K下的光致發(fā)光激發(fā)（λem = 812 nm）與光致發(fā)光（λex = 466 nm）光譜。插圖分別為日光下和365 nm紫外光下塊體樣品的照片。

圖3系統(tǒng)評估了材料的機(jī)械發(fā)光性能與機(jī)制。ScBO?:Cr3?在摩擦或壓縮負(fù)載下均能發(fā)射與光致發(fā)光譜相似的近紅外光，且在超過100次循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的自恢復(fù)發(fā)光特性。隨著負(fù)載增加，發(fā)光強(qiáng)度近乎線性增強(qiáng)，且對加載速度敏感，而在應(yīng)力釋放或靜態(tài)負(fù)載下發(fā)光迅速消失。實驗還顯示該材料的發(fā)光行為不受摩擦電序列或環(huán)境濕度影響，排除了斷裂、界面摩擦電或陷阱控制等機(jī)制的可能性。壓電力顯微鏡檢測到典型的壓電蝴蝶環(huán)，第一性原理計算表明Cr3?摻雜引入了3d中間能級，改變能帶結(jié)構(gòu)，證實局域壓電場是驅(qū)動發(fā)光的主要機(jī)制。

圖3：機(jī)械發(fā)光性能與機(jī)制。 a) ScBO?:Cr3?（2%）在PDMS或ER聚合物中于摩擦或壓縮負(fù)載下的機(jī)械發(fā)光光譜。插圖分別為通過自制旋轉(zhuǎn)平臺或萬能試驗機(jī)施加摩擦或壓縮負(fù)載的測量裝置示意圖。 b) ScBO?:Cr3?@PDMS薄膜在16 N、200 r min?1連續(xù)摩擦負(fù)載下的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖為通過夜視單目鏡記錄的相應(yīng)機(jī)械發(fā)光圖像。 c) ScBO?:Cr3?@ER pellet在850 N重復(fù)壓縮負(fù)載下的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖為機(jī)械發(fā)光圖像及基于灰度值的相對發(fā)光強(qiáng)度空間分布，以及基于有限元分析的模擬應(yīng)力分布。 d) ScBO?:Cr3?@ER pellet在不同加載速度（4–11 mm min?1）下機(jī)械發(fā)光強(qiáng)度隨壓縮負(fù)載（0–850 N）的變化。 e) 在一個壓縮-釋放周期（0–850 N）中機(jī)械發(fā)光對加載速度的實時響應(yīng)。 f) ScBO?:Cr3?@PDMS和Lu?Al?O??:Ce3?@PDMS薄膜在摩擦作用下機(jī)械發(fā)光強(qiáng)度隨環(huán)境濕度的變化。 g) ScBO?:Cr3?在±6 V針尖偏壓下的壓電力顯微鏡振幅圖。典型的振幅蝴蝶環(huán)揭示了壓電效應(yīng)。 h) ScBO?:Cr3?的計算電子能帶結(jié)構(gòu)與部分態(tài)密度。Cr3?的引入修改了局部電子結(jié)構(gòu)，在帶隙中間形成了3d電子能級。

圖4重點介紹了通過組合摻雜策略對近紅外機(jī)械發(fā)光譜進(jìn)行精確調(diào)諧的過程。通過共摻雜Yb3?，實現(xiàn)了從Cr3?到Y(jié)b3?的能量轉(zhuǎn)移，將發(fā)光峰紅移至980 nm，與硅光電二極管響應(yīng)峰值匹配；進(jìn)一步摻雜Ga3?引起晶格畸變，使發(fā)光強(qiáng)度提升三倍。單次沖擊下的時間域發(fā)光衰減曲線顯示，Yb3?共摻雜使Cr3?的?T?能級壽命從265 μs縮短至178 μs，能量轉(zhuǎn)移效率最高可達(dá)46%，顯著優(yōu)化了近紅外發(fā)光的性能。

圖4：寬帶近紅外機(jī)械發(fā)光的調(diào)諧。 a) ScBO?:Cr3?（2%）、ScBO?:Cr3?/Yb3?（2/0.8%）和ScBO?:Cr3?/Yb3?/Ga3?（2/0.8/7%）晶體在摩擦負(fù)載下的機(jī)械發(fā)光光譜，以及基本硅光電二極管的光譜響應(yīng)（紅色虛線）。 b) Ga3?誘導(dǎo)機(jī)械發(fā)光增強(qiáng)的機(jī)制示意圖。Sc3?被較小的Ga3?部分取代后，八面體體積（12.838 → 12.517 ?3）和平均Cr3?–Yb3?距離（4.767 → 4.745 ?）減小，而畸變指數(shù)Ddis從0.0258增至0.0278。 c) 這些晶體的積分機(jī)械發(fā)光強(qiáng)度（600–1100 nm），其中CaZnOS:Yb3?（2%）在相同條件下作為參考。插圖為機(jī)械沖擊下機(jī)械發(fā)光復(fù)合薄膜的圖像。 d) 基本硅光電二極管與這些機(jī)械發(fā)光晶體之間的計算匹配度值。 e) 單次機(jī)械發(fā)光衰減測量的實驗裝置示意圖。 f) 記錄機(jī)械發(fā)光衰減曲線的測量協(xié)議。 g) 在1.9 mJ沖擊能量下，ScBO?:Cr3?和ScBO?:Cr3?/Ga3?中Cr3?的?T?→?A?躍遷在有/無Yb3?摻雜時的機(jī)械發(fā)光衰減曲線。

圖5展示了基于近紅外機(jī)械發(fā)光的交互觸覺筆的實際應(yīng)用。該設(shè)備集成機(jī)械發(fā)光薄膜、硅光電二極管與電子控制模塊，能在受力時瞬時發(fā)射近紅外光，并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。在玻璃平面上，該觸覺筆的最低壓力閾值約為600 kPa，力靈敏度達(dá)7.8 mV/MPa，且在多種接觸平面及光照、濕度干擾下均保持穩(wěn)定輸出。通過與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，該設(shè)備實現(xiàn)了對用戶手寫漢字的高精度識別，即使在復(fù)雜環(huán)境下，對4個或12個字符的分類準(zhǔn)確率仍超過99%，展現(xiàn)出在現(xiàn)實人機(jī)交互與人工智能應(yīng)用中的巨大潛力。

圖5：近紅外機(jī)械發(fā)光驅(qū)動的抗干擾觸覺筆。 a) 由寬帶近紅外機(jī)械發(fā)光驅(qū)動的觸覺筆示意圖。 b) 使用ScBO?:Cr3?/Yb3?/Ga3?、ZnSYb3?作為機(jī)械發(fā)光層的觸覺傳感系統(tǒng)中施加壓力與輸出電壓之間的線性關(guān)系。 c) 兩位不同用戶書寫四個漢字時的實時電壓輸出。插圖為通過夜視單目鏡在長曝光模式下捕獲的機(jī)械發(fā)光圖像及相應(yīng)的應(yīng)力分布強(qiáng)度映射。 d) 識別兩位用戶書寫四個字符的對應(yīng)混淆矩陣。

綜上所述，本研究開發(fā)出一類具有自恢復(fù)近紅外機(jī)械發(fā)光特性的ScBO?晶體，通過精準(zhǔn)摻雜調(diào)控發(fā)光譜，成功將其與低成本硅光電二極管集成，構(gòu)建出抗干擾、自供電的觸覺傳感系統(tǒng)。結(jié)合人工智能算法，該系統(tǒng)在簽名認(rèn)證等應(yīng)用中表現(xiàn)出快速響應(yīng)、低閾值和高識別精度等優(yōu)勢，為未來智能交互傳感設(shè)備的發(fā)展提供了新思路。