接近传感电子皮肤研究进展综述

皮肤是人类最大的感觉器官，具有保护和感觉等多种功能，是人体最重要的天然防御器官，具有惊人的伸展性、自愈能力、卓越的机械韧性和敏感的触觉等特殊属性。从结构上看，皮肤大致可分为三层：表皮层、真皮层和皮下组织。在日常生活中，每根绒毛都充当着无数个探测器的角色，将未与皮肤发生物理接触的异物信号转化为刺激信号，并传递给皮肤下的神经细胞，从而向人体发出警报。  

电子皮肤具有与人类类似的压力敏感性、痛觉和温度感应。此外，它还具有超越人类皮肤的功能，包括接近传感和化学感应。近年来，有关接近传感电子皮肤的研究已引起了广泛关注。这种电子皮肤技术可在无身体接触的情况下进行检测，在人机协作、人机界面和远程监控等领域具有广阔的应用前景。特别是在COVID-19等传染病传播的背景下，迫切需要非接触式检测技术来确保安全和卫生的操作。

近期，来自青岛大学的研究人员全面回顾了接近传感电子皮肤技术领域近年来取得的重大进展，包括原理，以及具有大面积、多功能、应变和自修复能力等特点的单一类型接近传感器。此外，文章还深入探讨了双类型接近传感器的研究进展。此外，文章还特别强调了柔性接近传感器在人机协作人机界面和远程监控方面的广泛应用，突出了其在各个领域的重要性和潜在价值。最后，文章对柔性接近传感器技术的未来发展提出了见解。相关研究成果以“Proximity Sensing Electronic Skin: Principles, Characteristics, and Applications”为题发表在Advanced Science期刊上。  

图1 柔性接近传感器的分类与应用

在这篇综述中，作者重点探讨了电容式接近传感器和摩擦静电式接近传感器的工作原理。其中，电容式接近传感器可部署在非导电屏蔽环境中，是一种简单、经济的传感器解决方案。然而周围环境的湿度和内部物体的存在等因素很容易影响其检测精度。

为缓解这一问题，一种方法是将电容式接近传感器与超声波或电感式传感器等其他检测方法集成在一起。另外，还可以利用数据处理技术来降低数据的可变性，最大限度地减少噪音干扰。此外，特定的传感器芯片（例如FDC2214系列芯片）也有助于减轻环境干扰。而摩擦静电接近传感器无需外接电源即可运行，并且对动态变化非常敏感。不过，它们的信号检测是瞬时的，在特定应用中可能会受到限制。  

图2 两类电容式接近传感器原理  

图3 摩擦电纳米发电机和摩擦电接近传感器

柔性接近传感器在人机协作领域大有可为。随着机器人越来越多地承担各种复杂的任务，对高性能、适应性强的柔性接近传感器的需求将持续上升。  

图4 柔性接近传感器在远程监控中的应用  

然而，机遇与挑战并存。柔性接近传感器目前还存在以下亟待解决的问题：

（1）多功能性：在单个装置中开发具有多种集成功能的传感器是一项重大挑战。其中，解决传感器与外部刺激之间的干扰以及优化传感器结构的分布是关键因素。

（2）自愈：有关柔性接近传感器自愈合特性的研究仍然相对有限。虽然已经对电子表皮内的水凝胶或离子凝胶的自修复能力进行了研究，但仍然缺乏普遍适用的实施方法。此外，在实际装置中实现自愈能力仍然受到限制。

（3）响应时间：在机器人安全等应用中，柔性接近传感器的响应时间起着至关重要的作用。

然而，许多研究论文并未明确提及与接近效应相关的响应时间。除了这些挑战之外，解决与探测范围、测量精度、耐用性和稳定性相关的问题对于确保柔性接近传感器的可靠性和长期使用也至关重要。

此外，如何将这些传感器与机器人系统有效集成，进行实时数据传输和处理，以及从丰富的传感器数据中提取有价值的信息，也是值得认真考虑的重点领域。  

审核编辑：刘清