受鱼类启发的利用电场的传感器“触觉”

Jingkun Zhou, Jian Li et al.

无需看见或触碰就能探测到附近物体存在的能力可能听起来很神奇——但这是一些生物所具备的真实能力。一种被称为长颌鱼科（Mormyrids，https://blog.nature.org/2016/02/08/theyre-electric-two-new-fish-species-discovered-in-gabon/）的非洲鱼类家族具有弱电特性，它们拥有特殊的器官，能够定位附近的猎物，无论猎物是在浑浊的水中，还是藏在泥里。现在，科学家们受大自然最初设计的启发，创造出了一种人造传感器系统。这一研发成果有朝一日可能会被应用于机器人技术和智能假肢领域，用于在不依赖机器视觉的情况下定位物品。

香港城市大学生物医学工程系副教授Xinge Yu说：“我们受‘电鱼’的生物启发，开发出了一种通过电子皮肤进行三维运动定位的新策略。”该团队在11月14日发表于《自然》杂志的一篇论文中描述了他们的传感器，这种传感器依靠电容来探测物体，而不论物体的导电性如何（https://www.nature.com/articles/s41467-024-54249-3）。

传感器的一层作为发射器，产生一个延伸到设备表面之外的电场。另一层作为接收器，能够检测到物体的方向和距离。这使得传感器系统能够在三维空间中定位物体。

Jingkun Zhou, Jian Li et al.

传感器电极层由生物凝胶制成，这种生物凝胶被印制在聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的介电基板的两面。PDMS是一种硅基聚合物，常用于生物医学应用。生物凝胶层从其表面的微通道图案获得发射和接收电信号的能力。最终得到的是一种薄、柔韧、柔软、可拉伸且透明的传感器。这些特性使其适用于众多需要物体感应系统贴合不规则表面（如人体）的应用。

当物体进入传感器的感应范围时，传感器周围的电容场就会被扰乱，进而被接收器探测到。信号变化的幅度表明了到目标的距离。通过使用多个传感器组成阵列，该系统能够确定目标在三维空间中的位置。本研究中创建的系统在空气中使用时能够探测到10厘米以内的物体。在水下使用时，探测范围会增加到1米。

为了实现功能，这些传感器还需要一个单独的控制器部件，该部件通过银线或铜线连接。控制器具备多项功能。它产生用于激活发射层的驱动信号。它还使用16位模数转换器来收集来自接收层的信号。然后，这些数据由连接到传感器阵列的微控制器单元进行处理，微控制器单元计算目标物体的位置，并通过低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）发射器将该信息发送到智能手机或其他设备（而不是将原始数据发送到终端设备进行计算，因为那样会消耗更多能量）。

电源由一块集成锂离子电池提供，该电池通过一圈铜线进行无线充电。该系统旨在消耗最少量的电能。控制器不如传感器灵活和透明，但通过被包裹在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，它既防水又具有生物相容性。

该系统在探测直径约8毫米的物体时效果最佳。小于4毫米的物体可能无法被精确探测到，而探测大于8毫米物体时的响应时间可能会显著增加。这可能会在当前将该系统的实际用途限制在诸如为人机界面追踪手指运动之类的事情上。要探测更大的目标还需要进一步的研发。

该系统能够探测到布或纸屏障后面的物体，但其他环境因素会降低其性能。空气湿度的变化以及距离传感器40厘米以内的人或其他设备产生的电磁干扰会降低其准确性。

研究人员希望这种传感器有朝一日能够开启一系列新的可穿戴传感器，包括用于人机界面的设备以及轻薄且有弹性的电子皮肤。