研究背景：

人與外界的互動是一個多層次、多維度的過程，體感在其中起著至關重要的作用。體感是人類感知系統(tǒng)的一部分，需要感官的參與，使個體能夠感知、理解和響應周圍環(huán)境。在所有的體感類型中，觸覺被認為是最重要的，因為它直接而密切地將人與外界環(huán)境聯(lián)系起來，不僅使人能夠獲取有價值的信息，還使人能夠有效、安全地進行社會交往。在此背景下，仿生觸覺傳感技術的概念應運而生，旨在實現(xiàn)與人類相當甚至超越人類的觸覺感知。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員致力于開發(fā)結構靈活、靈敏度高、功能多樣的觸覺傳感器，以模仿人類皮膚的復雜結構和觸覺感知機制。到目前為止，觸覺傳感領域已經(jīng)取得了重大進展，成功實現(xiàn)了對不同力、方向、形狀、材料和表面紋理的感知。除了觸覺傳感技術外，研究人員還致力于開發(fā)無需物理接觸即可獲得物體存在、接近度和特性的技術，即提前對環(huán)境中的未知物體做出反應的非接觸式傳感技術，也稱為接近傳感技術。通過建立與觸摸不同的傳感維度，接近傳感技術避免了頻繁的物理接觸，從而最大程度地減少了設備的機械磨損。近年來，人們開發(fā)了各種類型的接近傳感器，包括紅外傳感器、超聲波傳感器、振動傳感器、磁傳感器和摩擦電傳感器。其中，紅外接近傳感器需要笨重且昂貴的監(jiān)測儀器，并且容易受到光干擾。超聲波和振動接近傳感器雖然在一定程度上彌補了紅外線的缺陷，但超聲波傳感器對小物體的檢測不夠精確，在吸音材料周圍性能容易受到影響；而振動傳感器則容易受到環(huán)境噪聲和其他振動源的干擾，使其不適合需要高精度測量的應用。相比之下，磁接近傳感器具有不依賴昂貴而復雜的儀器、操作簡單、使用壽命更長等顯著優(yōu)勢。然而它們也不可避免的存在一定的缺點，特別是對非金屬物體的檢測能力較弱，在強磁場環(huán)境中易受干擾。近年來，摩擦納米發(fā)電機在非接觸傳感領域得到了廣泛的應用，即摩擦電接近傳感器，其因自供電、器件材料和結構選擇范圍廣泛等優(yōu)勢受到了研究者的密切關注。然而該類傳感器需要特定的濕度和溫度條件才能發(fā)揮最佳性能，一定程度上限制了其在各類場景中的適用性。相比于前述接近傳感技術，基于邊緣效應的電容式接近傳感器（FE-CPS）因具有成本低、功耗低、對溫濕度不敏感、傳感范圍廣、適用于各類場景、結構設計靈活等特點，正在逐漸興起。

研究成果：

隨著對電容式接近傳感技術的不斷深入探索，研究人員在開發(fā)多種結構類型的器件的同時，也積極探索提升性能的潛在機制。盡管FE-CPS的研究尚處于起步階段，但已展現(xiàn)出廣泛的潛在應用前景，擁有巨大的研究空間和前景。然而，目前對FE-CPS的系統(tǒng)綜述較少，對其優(yōu)越性和特點的深入探討也相對有限。近日，濟南大學牛閎森副教授、高嵩教授/山東大學李陽教授/北理工沈國震教授在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Fringing-Effect-Based Capacitive Proximity Sensors”的綜述文章(DOI: 10.1002/adfm.202409820)。本綜述全面介紹了FE-CPS的典型結構和工作原理，總結了多種改進結構和優(yōu)化性能的方法，并回顧了FE-CPS在智能系統(tǒng)領域的應用進展。最后，我們探討了FE-CPS可能面臨的挑戰(zhàn)和潛在機遇，展望了其在下一代人工智能（AI）中的未來發(fā)展。濟南大學牛閎森副教授和山東大學李浩博士為共同第一作者，濟南大學高嵩教授、山東大學李陽教授、北理工沈國震教授為共同通訊作者。

總結與展望：

FE-CPS是一種基于邊緣電場變化(邊緣效應)的接近傳感技術，其無需直接接觸，通過擾動周圍電場線來感知目標物體的接近。FE-CPS因其成本低、功耗低、感知范圍廣、結構設計靈活等優(yōu)勢，在非接觸傳感領域受到了廣泛關注。本文概述了FE-CPS的最新進展，詳細闡述了其工作機理，提出了不同結構類型(平行板結構和共面電極結構)和性能優(yōu)化策略(環(huán)/盤狀電極、螺旋電極和迷宮電極)的FE-CPS，并回顧了其在智能預警系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能材料感知系統(tǒng)等應用場景。盡管FE-CPS在智能傳感和人工智能領域有著廣泛的應用，學術上也取得了長足的進步，但在性能優(yōu)化、器件集成設計和智能系統(tǒng)應用方面仍存在相當大的挑戰(zhàn)(圖12)，特別是在以下方面：

（i）FE-CPS的性能優(yōu)化主要通過改變電極結構來實現(xiàn)，如前所述。但電極尺寸、大小、形狀等參數(shù)影響傳感性能的具體機制尚未得到深入研究，尚未確定實現(xiàn)最佳傳感性能的最佳電極結構。

潛在解決方案：利用COMSOL Multiphysics軟件對不同的電極結構參數(shù)進行建模和仿真，以更深入地了解每個參數(shù)對傳感性能的影響，從而確定優(yōu)化的電極設計策略。

（ii）除了優(yōu)化電極結構外，還應從其他方面制定接近傳感性能的優(yōu)化策略。

潛在解決方案：探索介電常數(shù)、厚度、尺寸、形貌等介電層參數(shù)的優(yōu)化，并深入研究基于介電層的傳感機制的相關解釋。

(iii) FE-CPS中電容信號的采集和處理需要復雜的電路支持；對于FE-CPS中的微小距離傳感，電容信號變化微小，易受噪聲干擾。目前，簡化FE-CPS采集處理電路和降低微小信號噪聲的方法研究尚未深入開展。

潛在解決方案：開發(fā)專用集成電路芯片可以幫助簡化電路；利用電容橋測量法（提高測量精度）、濾波算法（如卡爾曼濾波器、小波變換濾波器和高斯濾波器）以及屏蔽線連接可以進一步降低微小電容信號檢測中的噪聲干擾。

（iv）基于智能感知系統(tǒng)的應用研究相對膚淺，不夠深入。雖然在材料感知方面取得了重大突破，但進一步融入機器人皮膚，真正媲美甚至超越人類的感知能力，仍需要深入探索。除了物質感知系統(tǒng)，還需要拓展到更廣泛的應用場景，如手勢識別系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、感知-記憶-反饋閉環(huán)系統(tǒng)等。

潛在解決方案：未來的研究應關注FE-CPS、軟件算法和硬件電路之間的關系，力爭促進這些領域的協(xié)調(diào)發(fā)展和有機融合，這需要多學科和多領域的共同努力。

綜上所述，我們重點關注FE-CPS的進展、挑戰(zhàn)和未來前景，以及它在智能系統(tǒng)中的應用場景。隨著柔性傳感器和人工智能的發(fā)展，F(xiàn)E-CPS將成為一種極具前景的技術，可以在各種場景中得到廣泛和大規(guī)模的應用。