触觉人机交互硬件的新进展：柔性薄膜压电驻极体驱动器/传感器

来源：高分子科学前沿

人类的感觉分为五类：视觉，听觉，触觉，味觉和气味。在当前的人机交互领域及消费电子市场中，绝大多数研究与产品，都是针对视觉与听觉所研制开发的。但随着包括虚拟现实（VR），增强现实（AR）技术的高速发展，仅仅利用视觉与听觉已不能很好的传递足够的信息。

触觉反馈（Haptics）与人机界面（Human-Machine Interface）作为近年来兴起的的一个热门领域，正在吸引越来越多开发者、研究者的兴趣。例如，2015年上市的Apple Watch采用的Taptic Engine便是一种典型的触觉反馈系统。Taptic Engine可以有效提供触觉反馈，极大提升用户体验。然而包括Taptic Engine在内的大部分现有的触觉反馈系统体积都较为庞大，且不具备感应能力，这从一定程度上限制了人机交互系统的产品设计和软件开发。

可穿戴式电子设备要求器件具有良好的柔性，且要求体积小，重量轻。现有的触觉反馈装置多采用线性马达、偏心电机或音圈马达作为其驱动器。但由于这类驱动器由于其体积庞大，且不可变形，触觉反馈类的产品也处于较为初期的开发阶段。

近日，加州大学伯克利分校的钟俊文博士和马源博士在ACS nano期刊上，以共同第一作者的身份报道了一种可用于人机交互界面的柔性薄膜压电驻极体（piezoelectret）驱动器 （Actuator）/传感器 （Sensor），林立伟教授为该工作的通讯作者。该柔性薄膜采用三明治压电驻极体结构，总厚度仅150um，其等效压电常数d33高达4050 pC/N，这个数值高于许多传统的压电材料与压电驻极体材料。

在薄膜阵列上，每一个工作单元都可以在传感器和驱动器的功能间随意切换。此外，传感器测得的人体信号可以用来控制驱动器的行为，实现了功能上的相互配合。这种设计不仅可以大幅度降低生产难度和生产成本，也可以为软硬件开发者带来极大的便利。

概念图：制动器于传感器可以集成于同一薄膜上，基于这种驱动器/传感器阵列，远程的触觉交流通讯在将来成为可能。

驱动器工作模式下，单个驱动器的机械振动可产生超过20mN的驱动力。该驱动力与常见手机所产生的驱动力，可被人体皮肤轻易感知。

图a为驱动力测试方法简图；图b与图c分别为文中驱动器与一款常见手机振动产生的驱动力；图d-f为志愿者测量振动强度及驱动电压，驱动频率的结果；图g为常见压电材料与压电驻极体材料的驱动电压与压电常数，其中驱动电压越低，压电常数越高，则越适合作为触觉反馈驱动器及传感器。

传感器模式下，单个传感器可以检出小至1.84Pa的压强，并且在超过6000次循环加载中，输出信号变化小于1%，该传感器单元可以用于测量皮肤表面包括脉搏，肌肉运动等生理状态。

图a与图b为传感器开路电压、闭路电流与压力、频率的关系，图c及图d显示传感器在长时间工作状态下的稳定性，图e-g为传感器在一颗仅重75mg的蒲公英下的输出信号。

文章的模拟分析进一步表明，该驱动器/传感器阵列的优势在于较大的电荷储存能力和较小的器件厚度。若能进一步提高表面电荷密度，降低器件厚度，则可以开发出性能更加卓越的传感器与驱动器。

图a与图b分别为驱动器驱动电压与压电驻极体电荷密度与薄膜厚度的关系。

参考文献： 

Zhong, J.; Ma, Y.; Song, Y.; Zhong, Q.; Chu, Y.; Karakurt, I.; Bogy, D. B.; Lin, L., A Flexible Piezoelectret Actuator/Sensor Patch for Mechanical Human–Machine Interfaces. ACS Nano 2019. DOI: 10.1021/acsnano.9b02437.

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02437