據國外媒體Tech Xplore報導，新加坡南洋理工大學（NTU）的研究人員研發了一種輕量級（lightweight）超靈敏壓力傳感器（tactile sensors）。該壓力傳感器能夠檢測到一片花瓣或者一粒大米的重量，同時也可以“打印”在塑料薄膜等彈性材料上。

此次，研究小組的壓力傳感器利用固態聚合物電解質（solid-state polymer electrolytes）製造了一個薄膜有機電化學晶體管（organic electrochemical transistors，OECTs）。

據研究人員介紹，新型OECTs比之前的有機場效應晶體管型傳感器（organic field effect transistor-type sensors）的靈敏度高10倍。研究團隊認為，他們的研究產品為機器人的“皮膚”和輕量級的保健監測（health-monitoring）奠定了良好的基礎。

一、神奇的OECTs——測量生物數據的“利器”

OECTs是傳導離子（ions）和電子（electrons）的晶體管（transistors）。它們可以檢測到生物數據並將其轉換為電子數據，如心跳和腦電波。它們常被用於各種醫療設備、能源存儲等領域。研究人員常用OECTs材料製造各類傳感器。

傳統的OECTs會通過液體電解質傳輸生物數據。但液體電解質存在一定的局限性，它們通常很大、操作壽命有限，並且液體電解質難以感受到觸覺感知（tactile input）或者外部壓力。

此次，研究小組的壓力傳感器用固體聚合物電解質代替液體電解質。固體聚合物電解質可以和液體電解質一樣有效地傳導離子和電子，同時克服它們的局限性。

電氣與電子工程學院助理教授梁偉林（Assistant Professor Leong Wei Lin from the School of Electrical and Electronic Engineering）說，“我們研發的固態OECTs比液體電解質更具優勢。因為固態電解質沒有洩漏的風險，所以這些新型傳感器可以彎曲，能夠靈活地適應各種表面，而且打印不同尺寸的傳感器的價格都很便宜。固態OECTs消耗極低的電力，能夠在特定的地點刺激生物反應。這些特點都能讓它們在醫療保健和食品處理中的過程中保證使用安全”。

二、新型傳感器能測量花瓣的重量，優於電容傳感器萬倍

此次，研究團隊研發了一種輕量級超靈敏壓力傳感器。當該傳感器感受到外界施加的壓力時，它會通過電壓的變化維持工作。每個傳感器的頂部都有一層小金字塔形的電極層（electrode layer）。它們通過這個金字塔的尖端就可以感受到極輕物體的重量。

當外界對這些“小金字塔”施加壓力時，這些“金字塔”就會變形，同時將移動的離子從電極層推到導電層。OECTs可以測量到因離子的運動產生的電壓變化，並轉化為壓力敏感度。

▲來自NTU官網的研究報告截圖

這款壓力傳感器可以檢測到極輕物體（1.1Pa或0.0112g/cm²的物體）。它們比目前人們常使用的電容式傳感器、電阻傳感器、電壓傳感器都要更靈敏。

梁教授將新型傳感器與常見的傳感器作了個比較，“新型OECTs檢測到小壓力輸入，會快速的調節至高壓靈敏度（high pressure sensitivity）——這會優於電容壓力傳感器（capacitive pressure sensors）1萬倍，優於電阻傳感器（resistive sensors）100倍，優於有機場效應晶體管型傳感器10倍”。

三、能“貼”在身上監測數據，醫療和機器人或將成為傳感器落地現實的場景

目前，研究團隊已經將這些傳感器集成到機器人的“手”上，讓機器人能夠通過傳感器抓住更小的物體。該團隊還正在繼續開發這項技術，希望給機器人創造更好的一雙“手”。

該團隊希望能將這些傳感器打印成一塊塊的“補丁”，作為智能機器人的“皮膚”。擁有這樣“皮膚”的機器人能對外界刺激快速反應，會更像人類。當有人從他們身邊經過時，這些機器人通過“皮膚”感知到，停下來，清楚發生了什麼之後，再繼續前進。

同時，由於新型傳感器內置低工作電壓，它能以極低的功率維持工作，減少了對電池組的需求。

新型傳感器也可以為皮膚敏感的患者測量脈搏和血壓。它們可以印在像繃帶一樣薄的貼片上，讓醫務人員可以把它們貼在病人身上監測患者數據。

目前，該研究專注於將輕量級超靈敏壓力傳感器商業化。

梁教授認為，“研發高敏感度的柔性壓力傳感器對新技術具有極大的吸引力，如信息物理系統（cyber-physical systems）、軟體機器人技術（soft robotics）和可穿戴醫療保健設備（wearable healthcare devices）”。

結語：傳感器市場火熱，可穿戴傳感器或成大勢所趨

隨著越來越多以及越來越個性化的用戶需求出現，可穿戴設備對傳感器的發展提出了更高的要求。

6月8日，韓國三星先進技術研究院發布了一款以柔性OLED為顯示屏的“皮膚貼片”，其內置可延展的傳感器。

據英國市場調研公司IDTechEx報告，2019年，可穿戴設備市場規模達到近700億美元。報告表明，目前市場上的可穿戴設備添加了許多複雜的傳感器選項。可穿戴傳感器在工業、軍事和安全領域的應用日趨成熟。

儘管大家對新的技術產品翹首以盼，但目前可穿戴傳感器還需經過多次實驗，距離全面落地現實尚遠。我們對此應抱有謹慎樂觀的態度。

來源：Tech Xplore

智東西（公眾號：zhidxcom） 編譯| 徐珊編輯| 雲鵬