電子皮膚—用於人機交互的聲學和觸覺傳感器

  HMIs在人和機器之間的交互中發揮著關鍵作用 。大多數現有的可穿戴HMI設備使用低頻（1-10赫茲）的觸摸或手的動作 ，如輕拍 、彎曲和顫振，以向機器傳遞簡單的命令 。

  HMIs的最新發展需要高頻信號檢測 、增強現實 、增強現實(AR)和物聯網(iot) ，需要對HMIs進行精確和直觀的控製 ，以傳遞來自人類的各種感官和生物信號。除了物體的低頻觸覺映射外 ，還需要基於高頻振動(80-300Hz)檢測的粗糙度和表麵紋理感知 ，以便機器人皮膚精確地感知和操作物體 。在各種候選的動態傳感器中 ，摩擦電傳感器(TESs)無需額外的電源就能在高頻動態刺激下立即響應 。

  韓國蔚山國立科學技術研究所Hyunhyub Ko課題組與Jae Joon Kim課題組合作報道了一種基於鐵電複合材料的分層大圓頂/微孔/納米顆粒結構的雙模HMIs的頻率選擇性聲學和觸覺傳感器 。該傳感器在大範圍的動態壓力和共振頻率範圍內顯示出高靈敏度和線性 ，這使得在寬頻率範圍(145-9000Hz)內具有較高的聲頻率選擇性 ，從而使噪聲無關的語音識別成為可能 。

  作者將頻率選擇多通道聲學傳感器陣列與人工神經網絡相結合 ，對從100到8000Hz的不同頻率噪聲顯示了超過95%的精確語音識別 。證實了雙模傳感器在廣泛的動態壓力範圍下具有線性響應和頻率選擇性 ，有助於區分表麵紋理和控製機器人同時使用聲學和機械信號作為輸入 ，而不受周圍噪聲的幹擾 。

  圖1 ：用於動態界麵應用的分層設計的鐵電複合材料 。(A)使用大圓頂(MD) 、微孔(MP)和納米顆粒(NPs)的分層結構的TES示意圖 。(B)分層鐵電複合材料的各結構成分對TESs壓力敏感性的依賴性示意圖 。(C)圖顯示了TESs的頻率選擇性取決於分層鐵電複合材料的結構設計 。(D)TESs在各種動態接口設備中的應用 ，包括與噪聲無關的語音識別 、紋理感知 、動態運動檢測和使用機械手進行接口 。

  圖2 ：分層TESs在動態HMI中的應用 。(A)HMI應用智能手套示意圖 ，實現機器人手的紋理感知和遠程控製 。插圖顯示了具有傳感器 、封裝層和膠帶的每個像素組成 。(B)不同線形圖案寬度分別為1.5 、1.25 、1 、0.75mm的目標表麵紋理的光學圖像 。通過掃描表麵紋理而產生的輸出電流的(C)STFT 。(D)神經網絡可以識別不同的紋理和表麵粗糙度 。(E)HMI應用的無線網絡係統中的控製框圖和電子電路 。(F)智能手套上的分層TESs的輸出電壓作為彎曲角度的函數 。單位 ，任意單位 。(G)單像素智能手套使用不同彎曲動作的機械手運動控製照片 。(H)使用多像素智能手套控製機械手運動的照片 。（I）由聲音驅動的HMI應用程序的照片。(J)在分離的工作範圍內使用頻率采集來演示機械手的運動控製 。

  作者開發了基於鐵電複合材料的高線性和靈敏度的TESs ，其分層結構包括MD ，MP和陶瓷納米顆粒 。其實現機理是 ：分層幾何結構誘導了不同模量和高變形能力的非均勻材料界麵上的應力集中 ，提供了應力極化的線性梯度 ，這提高了在較寬的動態壓力範圍（0至70kPa）內的高靈敏度（36nA/kPa）和線性度（1V/kPa） 。

  作者通過在用於識別聲波 、表麵紋理和動態運動的動態接口設備中使用它們 ，演示了所提出的TESs的能力 。利用分層TESs的結構設計 ，TESs的諧振頻率易於調諧 ，允許在寬頻率範圍(145至9000Hz)上實現高聲選擇性 。這使得在與噪聲無關的語音識別設備的情況下，一個較高的準確率超過95% 。此外 ，TESs的高靈活性和線性響應率有助於檢測和區分表麵的精細紋理和機器人手的多功能運動 。因此 ，分層TESs作為動態接口應用的下一代傳感器具有較大的潛力 。

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