【ACS Appl. Mater. Interfaces】用于沉浸式交流的动态与静态感知及触觉反馈触觉传感与渲染贴片

首先，研究人员设计了一种标准的全功能单元，该单元集成了传感和反馈机制，包括屏蔽层、摩擦电传感器、压电单元（由锆钛酸铅制成）和四个气室组成的气动单元。其次，全功能单元具有四项关键功能：利用摩擦电纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）的协同效应实现基于阵列的静态和动态触觉传感、压电单元的振动反馈、气动单元的气动反馈以及通过TENG信号监测气动驱动。最后，为了实现基于阵列的多模态传感和反馈，同时保持系统的简洁性，研究人员设计了两种类型的全功能单元变体。

图1：TSRP的应用背景、整体设备结构及其功能. (i) 应用背景：TSRP用于机器人远程操作中的双向触觉交互。(ii) TSRP中全功能单元的组成以及基于阵列的TSRP中变体单元的分布。(iii) TSRP中三种类型功能单元的横截面和俯视图。

其次，TENG通过不同电负性材料之间的接触带电和分离运动实现能量转换，用于动态力传感和触觉传感。其次，基于PZT的PENG传感器在机械应力下极化，并在其电极间产生电压，用于检测动态触觉信息。当在PZT的共振频率下施加交流电压时，会产生振动驱动，提供振动触觉反馈。

图2：TSRP功能单元的工作原理. (a) 摩擦电单元的工作原理：(i) 正压力作用下的摩擦电效应；(ii) 正压力和剪切力共同作用下的摩擦电效应。(b) 基于PZT的压电传感原理及振动触觉反馈原理：(i) 压电传感原理；(ii) 振动触觉反馈原理。(c) 气动触觉反馈原理及基于TENG的气动触觉反馈监测原理：(i) 气动触觉反馈原理；(ii) 基于TENG的气动触觉反馈监测原理。

随后，研究人员优化了TENG传感单元的性能，选择了Dragon Skin 30作为主要硅胶材料，并采用了PVC-Nitrile薄膜与镍布结合的方案作为正摩擦电层。通过比较不同接触点结构，他们发现指纹图案的接触点具有更好的灵敏度和线性响应。结合数据融合感知算法，PENG传感器提高了静态力的检测准确性。

图3：TSRP传感部分的特性.(a) 全功能单元中摩擦电和压电传感器的分布。(b) 不同接触结构的摩擦电传感器的开路电压输出，显示指纹图案具有更好的线性响应灵敏度。(c) 一型TENG传感器的特性：当压力为5N时，开路输出电压为0.78V。(d) 一型TENG传感器的特性：当压力为5N时，短路峰值输出电流为11.64μA。(e) 基于PZT的压电传感器特性：(i) 开路输出电压；(ii) 短路输出电流。当压力为20N时，PZT的开路输出电压和短路电流分别为0.35V和25μA。(f) 摩擦电传感器的静态力传感输出，显示在不同静态压力下（0.5N至5N）的输出电压范围为0.08V至0.75V。(g) 作为TENG传感器补充设备的压电传感器静态力传感输出。TENG传感器的静态传感上限为5N，PENG传感器可补充至25N的传感能力范围。(h) 摩擦电传感器的脉冲响应分析：当压力为5N时，开路电压波形的上升时间为87ms，下降时间为192ms。

此外，研究人员通过应用特定频率的交流电压到压电陶瓷上实现振动反馈。通过模拟和实验评估了不同材料和厚度的硅胶薄膜对振动吸收的影响，发现0.3mm厚的Dragon Skin 30涂层能产生最强的振动反馈。他们还研究了影响气动反馈程度的因素，包括膜材料、膜厚度、气室尺寸和气压，并通过TENG传感器监测气动反馈的程度。

图4：TSRP反馈部分的特性.(a) TSRP中的反馈分布图：(i) 振动和气动触觉反馈的分布；(ii) 测试振动触觉反馈的程度。(b) PZT涂层材料和厚度对振动吸收的影响：(i) 材料对振动吸收的影响；(ii) 厚度对振动吸收的影响。结果显示，0.3mm厚的Dragon Skin 30能产生比其他材料更好的振动反馈。(c) 驱动电压对振动位移的影响：60V的供电电压可产生最大30μm的振动。(d) 驱动频率对振动触觉反馈的影响：最佳振动反馈出现在共振频率（60Hz）。(e) 振动反馈对TENG触觉传感的影响：结果显示，振动反馈影响信号的频率高于用户输入的控制信号频率。

研究人员展示了基于全功能单元及其两种变体的阵列式TSRP，用于双向人机交互。通过Unity中的演示，展示了全功能单元如何与虚拟物体进行交互，并通过编码控制机械臂的末端轨迹。实验结果表明，TSRP能够准确再生多种触觉感知，并通过气动和振动反馈形成双向触觉通信的闭环。

图5：基于TENG的TSRP气动反馈及其监测方法的特性.(a) 气室尺寸和形状对气动触觉反馈的影响：(i) 气室尺寸对三型气动膨胀位移的影响；(ii) 气室尺寸对气动反馈力的影响。(b) 气室形状对一型、二型和三型气动膨胀位移的影响。结果显示，尺寸为11mm的气室能产生更好的气动反馈。此外，气室形状对气动反馈影响较小。(c) 气动触觉反馈监测输出：(i) 7kPa气压下的气动触觉反馈监测结果；(ii) 不同气压下的气动触觉反馈监测结果；(iii) 不同充气频率下的气动触觉反馈监测结果。结果显示，TENG传感器可用作不同压力和频率条件下气动反馈单元的监测设备。

研究人员还设计了一个六足机器人远程操作演示，通过TSRP传输控制命令并接收来自机器人的触觉和动态信息。当机器人遇到特定地形障碍时，集成的传感器将信息传回TSRP系统，并通过多模态触觉反馈重建环境感知。实验结果表明，TSRP系统能够显著提高操作员的环境感知能力和响应速度。

图6：全功能单元及TSRP功能演示.(a) 基于TENG的TSRP功能单元描述：(i) TSRP中TENG传感器的分布和编号；(ii) TSRP中全功能单元的位置。(b) 全功能单元与Unity中球的交互演示：(i) 结果显示，通过按压一型全功能单元内不同部分的TENG传感器，可生成分段信号并与Unity交互以控制球的运动；(ii) Unity中球的移动轨迹。(c) TSRP图案编码功能演示：(i) TSRP中图案编码的应用场景；(ii) 通过滑动图案编码输入数字“1”、“2”、“3”和“4”；(iii) 结果显示，通过按一定顺序按压TSRP上不同位置的传感器，可生成时间序列信号用于编码目的。

此外，研究人员展示了TSRP作为气动反馈执行器与Unity的交互演示，通过气室再生被抓握物体的触觉信息，并记录了激光轮廓数据以显示激活气室的状态。为了验证用户对不同触觉反馈模式的感知效果，进行了主观感知测试。测试中，用户通过触摸TSRP上的不同图案来接收五种不同的反馈模式，并记录他们的主观感知结果。结果显示，用户对反馈模式识别的准确率均超过80%，验证了TSRP在提供清晰可辨的触觉反馈方面的有效性。

图7：TSRP反馈功能演示.(a) TSRP作为气动反馈执行器与Unity的交互演示：结果显示，气动反馈单元可通过气室再生被抓握物体的触觉信息，激光轮廓数据也显示了再生过程中激活气室的状态。(i) 使用TSRP作为气动反馈执行器重建Unity物体抓握；(ii)-(vii) 在Unity中抓握圆柱形、立方体和环形物体时的气动触觉反馈重建结果及对应的激光轮廓数据。(b) 所有用户主观测试结果的混淆矩阵，测试了不同肤质和性别的用户对反馈体验的主观感受。输入了五种不同模式，并记录了他们的主观感知。(i) 每个用户将要测试的五种模式的测试顺序；(ii) 主观测试结果的混淆矩阵显示，反馈模式识别的准确率均在80%以上。

最后，研究人员展示了TSRP在机器人远程操作中的系统框架，包括基于TSRP的主控制器、数据传输和映射协议以及待控制的从属机器人。通过六足机器人在不同地形上的行走路径和整体地形图，演示了TSRP如何接收控制命令并传输触觉反馈信号。实验结果表明，TSRP系统能够整合控制信号和反馈信号，实现机器人的避障运动，并通过气动和振动反馈增强操作员的环境感知能力，为远程操作和虚拟训练等领域提供了创新的解决方案。

图8：TSRP在机器人远程操作中的应用演示.(i) TSRP在机器人遥控中的应用框架：远程操作系统包含三个模块：基于TSRP的主控制器、数据传输和映射协议以及待控制的从属机器人。(ii) 接收控制命令的机器人的行走路径和整体地形图，该路径包含三种地形：颠簸、斜坡和凹陷。(iii) TSRP在机器人遥控中的控制信号。(iv) TSRP在机器人遥控中的反馈监测信号，主要由控制输入信号和触觉反馈信号组成。通过整合每个阶段的控制信号和反馈信号（以不同背景颜色区分），可实现机器人的避障运动。(v) 使用TSRP进行机器人遥控的反馈效果说明，包括气动反馈和振动反馈。

研究人员开发了一种创新的触觉传感与渲染贴片（TSRP），该贴片集成了压电传感与反馈单元、弹性体摩擦电传感器和气动反馈结构。TSRP的主要功能单元采用柔软的硅胶基底上的紧凑多层结构，通过摩擦电和压电机制的协同效应实现静态和动态多维触觉传感。此外，TSRP能够同时提供气动和振动触觉反馈，利用摩擦电传感器形成的气室和压电逆效应增强感知再生。这种阵列式贴片能够模拟远程操作中至关重要的各种交互事件，如不同地形、几何形状、滑动和碰撞。总体而言，该设备为实现包含丰富关键信息的双向触觉通信提供了一种有前景的方法，有望提高机器人远程操作和训练等领域的交互效率。未来，研究人员将继续优化TSRP的性能，并探索其在更多实际应用中的潜力。

 编辑：猫学长  审核：Wei