近日，第71屆國際電子器件會議（IEDM）在美國舊金山召開。西湖大學工學院朱博文團隊在會議上發表題為“First Demonstration of a CMOS-Compatible Tactile Sensor Array with Record-High Density of 444,000 pixels/cm2 for Precise Tactile Perception”的研究成果。西湖大學2021級博士生唐穎捷和博士后王朗為本項研究工作的共同第一作者。西湖大學工學院特聘研究員、副教授朱博文和文燎勇為共同通訊作者。該工作獲得了國家自然科學基金、西湖大學相關基金、西湖大學光電研究院、西湖大學先進微納加工中心、西湖大學物質科學和分子科學公共服務平臺的支持。
人類指尖分布著高密度的觸覺感受器使得人類能夠精確感知物體的紋理、大小和形狀等觸覺信息。近年來，人工電子皮膚（觸覺傳感器陣列）在機器人領域得到了廣泛應用。例如，在Optimus-Gen 2等機器人的靈巧手上集成高密度觸覺傳感器，可賦予機器人精細操作能力。
目前，觸覺傳感技術領域存在多種技術實現路徑，其中視觸覺傳感技術是目前商業化高密度傳感器的主流技術路徑之一。然而，現有的視觸覺傳感器雖然實現了較高的傳感器密度，但仍存在兩個主要局限性：一是測量誤差較大，由于依賴間接光學測量，光學畸變、光照變化和機械滯后等因素會導致壓力測量不準確，并且對微弱壓力響應不敏感；二是系統體積龐大，需要光學組件、照明系統和保護外殼等部件，使得小型化難以實現，從而限制了集成密度的進一步提升。
針對上述技術挑戰，西湖大學工學院朱博文團隊與合作者提出了一種創新的直接觸覺感知方案。與依賴間接光學測量的視觸覺傳感器不同，該方案通過CMOS技術與電阻式壓敏薄膜的集成，實現了接觸力的直接電學轉換，從而顯著提升了力校準精度和微弱壓力響應靈敏度。
圖1 高密度觸覺傳感器示意圖
該壓力敏感薄膜由三維共形涂覆的碳納米管（CNT）網絡、多尺度結構的PDMS基底，以及用于增強局部導電性的金（Au）薄膜三部分構成。這種多尺度結構設計不僅顯著提升了壓力傳感器的靈敏度，還增強了導電層與基底的界面穩定性。
圖2 壓力傳感器的多尺度結構設計
該壓力傳感器陣列在分辨率和靈敏度方面表現卓越，能夠檢測和區分29.8 mg和34.5 mg的微小重量，展現出優異的弱壓力檢測能力。在動態響應特性方面，傳感器的響應時間和恢復時間分別為21 ms和20 ms，能夠滿足實時觸覺感知應用的需求。
圖3 基于跨尺度結構的觸覺傳感器性能
研究團隊成功將傳感器陣列集成到機械靈巧手指尖，實現了高集成度的觸覺感知系統。在實時成像應用中，成功實現了字母"W"等復雜圖案的高保真度觸覺成像，15微米的像素尺寸能夠清晰呈現觸覺接觸的細節特征，展現了傳感器陣列的精細成像能力。
圖4 具有高集成度的靈巧手指尖觸覺成像展示
在動態力方向檢測應用中，研究團隊基于光流算法實現了實時力方向檢測功能，能夠準確追蹤手指在傳感器表面的滑動軌跡，并實時分析力的方向分布。該系統通過HSV（Hue-Saturation-Value）顏色空間編碼可視化力方向，為機器人動態觸覺感知提供了重要技術支撐。
圖5 實時壓力方向分析
在物體精細紋理識別應用中，研究團隊采用16種不同的"W"字形進行訓練，從8個不同角度（45度間隔，0-360度）采集了3706個觸覺圖像樣本。基于卷積神經網絡（CNN）的分類系統在僅2個訓練周期內即達到100%的準確率，實時識別速度達到13.1 ms，展現了傳感器在機器人精細觸覺分類應用中的巨大潛力。
圖6 觸覺傳感陣列的物體精細紋理識別應用
由于該傳感器陣列具有良好的集成特性和優異的性能表現，未來有望在智能假肢、人機交互、機器人精細操作等領域得到廣泛應用。
延伸閱讀：
《觸覺技術及市場-2024版》
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
《人形機器人產業現狀-2026版》
