近日，電子科技大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院微波電路與微系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室張曉升教授團(tuán)隊(duì)在國際重要學(xué)術(shù)期刊 Advanced Science 上發(fā)表了題為“All-Printed Finger-Inspired Tactile Sensor Array for Microscale Texture Detection and 3D Reconstruction”的研究性論文。張曉升教授為論文通訊作者，博士研究生王一琳為論文第一作者，電子科技大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一作者單位。

柔性觸覺傳感憑借其獨(dú)特性能，在人工智能、大數(shù)據(jù)和機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要價(jià)值，能夠?yàn)槲锢硎澜缗c數(shù)字世界提供無縫銜接的接口，助力人工智能更精準(zhǔn)地感知物理世界，為大數(shù)據(jù)提供豐富信息，并賦予機(jī)器人類似人類的感知能力，推動(dòng)多領(lǐng)域智能化發(fā)展。人類觸覺本質(zhì)上是多模態(tài)三維空間感知過程，當(dāng)手指與物體表面發(fā)生接觸時(shí)，觸覺系統(tǒng)不僅能夠解析二維平面分布的紋理輪廓信息，同時(shí)可獲取法向維度的表面微形貌特征。但常規(guī)觸覺傳感器件通常只對(duì)二維平面信息具有感知特性，缺乏三維空間感知能力；且其三維異質(zhì)異構(gòu)集成制造技術(shù)仍有待深入發(fā)展，突破批量化高通量制造瓶頸。

針對(duì)上述難點(diǎn)，該研究工作提出了一種結(jié)合平面印刷電子和犧牲層工藝的三維集成微納制造技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了觸覺傳感器三維異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)的批量化全印刷制造，其立體三維懸浮構(gòu)造能夠在傳統(tǒng)平面維度基礎(chǔ)上疊加垂直維度感知功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能三維觸覺傳感器。基于此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了一種觸覺傳感陣列，結(jié)合數(shù)據(jù)處理電路搭建集成微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了類似于人類對(duì)微觀立體細(xì)節(jié)感知的行為，具備檢測微觀紋理三維形態(tài)特征的能力，且能夠反演構(gòu)建三維表面形貌模型。

本研究中的觸覺傳感器陣列通過嵌入式硬件電路實(shí)現(xiàn)接觸應(yīng)力信號(hào)的量化轉(zhuǎn)換，上位機(jī)系統(tǒng)接收數(shù)字化表征的觸覺數(shù)據(jù)后，通過執(zhí)行多維數(shù)據(jù)處理算法，可模擬生物觸覺感知機(jī)制。該微系統(tǒng)采用電容梯度場解析的建模方法，基于離散傳感單元獲取的接觸特征參數(shù)，構(gòu)建虛擬空間內(nèi)紋理特征的三維幾何模型，有效復(fù)現(xiàn)人類觸覺的空間感知特性。該研究可為智能機(jī)器人提供了一條探知微觀結(jié)構(gòu)并重構(gòu)復(fù)現(xiàn)的有效途徑。

圖1.觸覺傳感器陣列的概念、結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)制示意圖。a)受手指觸覺行為（即針對(duì)三維微觀紋理的檢測-重建能力）的啟發(fā)，提出了一種全印刷觸覺傳感器陣列（TSA）。與傳統(tǒng)的觸覺傳感器相比，所開發(fā)的TSA在水平和豎直方向都具有高靈敏度，可捕捉紋理的三維結(jié)構(gòu)特征并將其重建為三維模型。b)傳感單元的結(jié)構(gòu)示意圖，由橫梁、墊片、電極和柔性基板組成，該多層懸浮結(jié)構(gòu)是利用優(yōu)化后的絲網(wǎng)印刷工藝加工所得。