接近傳感電子皮膚研究進展綜述

皮膚是人類最大的感覺器官，具有保護和感覺等多種功能，是人體最重要的天然防御器官，具有驚人的伸展性、自愈能力、卓越的機械韌性和敏感的觸覺等特殊屬性。從結構上看，皮膚大致可分為三層：表皮層、真皮層和皮下組織。在日常生活中，每根絨毛都充當著無數個探測器的角色，將未與皮膚發生物理接觸的異物信號轉化為刺激信號，并傳遞給皮膚下的神經細胞，從而向人體發出警報。

電子皮膚具有與人類類似的壓力敏感性、痛覺和溫度感應。此外，它還具有超越人類皮膚的功能，包括接近傳感和化學感應。近年來，有關接近傳感電子皮膚的研究已引起了廣泛關注。這種電子皮膚技術可在無身體接觸的情況下進行檢測，在人機協作、人機界面和遠程監控等領域具有廣闊的應用前景。特別是在COVID-19等傳染病傳播的背景下，迫切需要非接觸式檢測技術來確保安全和衛生的操作。

近期，來自青島大學的研究人員全面回顧了接近傳感電子皮膚技術領域近年來取得的重大進展，包括原理，以及具有大面積、多功能、應變和自修復能力等特點的單一類型接近傳感器。此外，文章還深入探討了雙類型接近傳感器的研究進展。此外，文章還特別強調了柔性接近傳感器在人機協作人機界面和遠程監控方面的廣泛應用，突出了其在各個領域的重要性和潛在價值。最后，文章對柔性接近傳感器技術的未來發展提出了見解。相關研究成果以“Proximity Sensing Electronic Skin: Principles, Characteristics, and Applications”為題發表在Advanced Science期刊上。

圖1 柔性接近傳感器的分類與應用

在這篇綜述中，作者重點探討了電容式接近傳感器和摩擦靜電式接近傳感器的工作原理。其中，電容式接近傳感器可部署在非導電屏蔽環境中，是一種簡單、經濟的傳感器解決方案。然而周圍環境的濕度和內部物體的存在等因素很容易影響其檢測精度。

為緩解這一問題，一種方法是將電容式接近傳感器與超聲波或電感式傳感器等其他檢測方法集成在一起。另外，還可以利用數據處理技術來降低數據的可變性，最大限度地減少噪音干擾。此外，特定的傳感器芯片（例如FDC2214系列芯片）也有助于減輕環境干擾。而摩擦靜電接近傳感器無需外接電源即可運行，并且對動態變化非常敏感。不過，它們的信號檢測是瞬時的，在特定應用中可能會受到限制。

圖2 兩類電容式接近傳感器原理

圖3 摩擦電納米發電機和摩擦電接近傳感器

柔性接近傳感器在人機協作領域大有可為。隨著機器人越來越多地承擔各種復雜的任務，對高性能、適應性強的柔性接近傳感器的需求將持續上升。

圖4 柔性接近傳感器在遠程監控中的應用

然而，機遇與挑戰并存。柔性接近傳感器目前還存在以下亟待解決的問題：

（1）多功能性：在單個裝置中開發具有多種集成功能的傳感器是一項重大挑戰。其中，解決傳感器與外部刺激之間的干擾以及優化傳感器結構的分布是關鍵因素。

（2）自愈：有關柔性接近傳感器自愈合特性的研究仍然相對有限。雖然已經對電子表皮內的水凝膠或離子凝膠的自修復能力進行了研究，但仍然缺乏普遍適用的實施方法。此外，在實際裝置中實現自愈能力仍然受到限制。

（3）響應時間：在機器人安全等應用中，柔性接近傳感器的響應時間起著至關重要的作用。

然而，許多研究論文并未明確提及與接近效應相關的響應時間。除了這些挑戰之外，解決與探測范圍、測量精度、耐用性和穩定性相關的問題對于確保柔性接近傳感器的可靠性和長期使用也至關重要。

此外，如何將這些傳感器與機器人系統有效集成，進行實時數據傳輸和處理，以及從豐富的傳感器數據中提取有價值的信息，也是值得認真考慮的重點領域。

審核編輯：劉清