1.研究背景

近年來，隨著仿生學(xué)、柔性電子和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，研究人員致力于開發(fā)先進(jìn)的觸覺感知系統(tǒng)，以實現(xiàn)機(jī)器人對真實世界的感知和認(rèn)知。這些系統(tǒng)不僅需要準(zhǔn)確檢測物理刺激（如壓力、應(yīng)變和剪切力），還需要具備材料識別的能力。材料識別是觸覺傳感器的一個典型應(yīng)用，對于智能醫(yī)學(xué)、智能假肢和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域尤為重要。盡管這些技術(shù)已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如穩(wěn)定性差、識別范圍小或能耗高等問題。此外，現(xiàn)有的材料檢測技術(shù)大多基于剛性基板，限制了其在可穿戴設(shè)備和電子皮膚中的應(yīng)用。電磁耦合射頻傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、無線無源、使用壽命長和高效的數(shù)據(jù)收集（S 參數(shù)）。因此，將電磁耦合射頻傳感器和射頻材料檢測技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出兼具靈活性、便攜性、低功耗特性，且支持非接觸式材料識別的無線觸覺傳感系統(tǒng) ，將促進(jìn)射頻觸覺傳感器的廣泛應(yīng)用。

2. 研究成果

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性，從而開發(fā)一種能夠在非接觸狀態(tài)下識別材料且具備靈活性、便攜性和低功耗的無線觸覺傳感系統(tǒng)。江南大學(xué)梁峻閣、顧曉峰團(tuán)隊聯(lián)合山東大學(xué)李陽團(tuán)隊共同提出了一種受人體觸覺神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)的無線無源射頻觸覺傳感器（WiRFTS），實現(xiàn)壓力檢測與非接觸材料識別的雙模功能。該傳感器集成了多孔聚苯胺-聚二甲基硅氧烷（PANI-PDMS）海綿、壓力電極和通信線圈，展現(xiàn)出超高的靈敏度和高分辨率。得益于多孔微結(jié)構(gòu)和高介電常數(shù)PANI顆粒的協(xié)同效應(yīng)，WiRFTS在壓力檢測模式下表現(xiàn)出1.394 MHz/kPa（<10 kPa）和0.319 MHz/kPa（10-200 kPa）的超高靈敏度。尤其值得注意的是，WiRFTS表面的電磁場賦予其卓越的空間感知能力，WiRFTS不僅可以在接觸模式下檢測壓力，還可以在非接觸模式下利用電磁場識別材料，超越了生物皮膚的感知能力。為了驗證WiRFTS的非接觸材料識別能力，建立了一個非接觸智能材料認(rèn)知系統(tǒng)。研究證明了該系統(tǒng)在能夠不接觸物體的情況下即可實現(xiàn)對8種不同介電特性的材料的精確自主感知，模型準(zhǔn)確率達(dá)100％，并且結(jié)果可以在可視化界面中實時顯示。相關(guān)工作以“Wireless Passive Flexible Radio Frequency Tactile Sensor for Material Recognition”為題發(fā)表在國際期刊《Nano Letters》上。江南大學(xué)博士研究生武恩康為第一作者，江南大學(xué)梁峻閣副教授/顧曉峰教授、山東大學(xué)李陽教授為共同通訊作者。

3.圖文導(dǎo)讀

圖 1具有接觸壓力檢測和非接觸材料識別功能的無線射頻觸覺傳感系統(tǒng)。

圖2射頻傳感器等效電路及檢測原理

圖3接觸式壓力檢測性能評估

圖4非接觸空間感知性能評估

圖5非接觸材料識別系統(tǒng)及演示

4、總結(jié)

受人類觸覺神經(jīng)系統(tǒng)的啟發(fā)，開發(fā)了一種無線無源射頻觸覺傳感器（WiRFTS），結(jié)合多孔聚苯胺-聚二甲基硅氧烷（PANI-PDMS）海綿、壓力電極和通信線圈，實現(xiàn)了超靈敏和多功能的材料識別。WiRFTS不僅在接觸模式下表現(xiàn)出優(yōu)異的壓力感知性能（最高靈敏度達(dá)1.394 MHz/kPa），還在非接觸模式下利用電磁場實現(xiàn)了對物體材料的高精度識別（100%識別準(zhǔn)確率）。提出的觸覺傳感系統(tǒng)在材料傳感方面顯示出巨大的潛力，并超越了人類的觸覺傳感能力。該方法為柔性電子學(xué)研究提供了新的見解，特別是關(guān)于 RF 傳感器的設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)和信號分析。

文獻(xiàn)鏈接：

Wireless Passive Flexible Radio Frequency Tactile Sensor for Material Recognition

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01542