概述：哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊完成，以鯊魚電感受器為生物靈感，研發(fā)了一種集成非接觸靜電傳感與接觸摩擦電傳感的雙模電子皮膚（e-skin），成功解決了傳統(tǒng)非接觸傳感檢測范圍窄、靈敏度低的問題，將其集成于機(jī)械手后，結(jié)合長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了100%的物體形狀識別準(zhǔn)確率和97.35%的物體材質(zhì)識別準(zhǔn)確率，為機(jī)器人多模態(tài)感知與智能交互提供了全新的技術(shù)方案。

一、研究背景

隨著機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、動態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用拓展，模仿人類多模態(tài)感知能力成為核心需求，傳統(tǒng)機(jī)器人僅依賴接觸式傳感，無法實現(xiàn)對未知環(huán)境的提前感知與自適應(yīng)，亟需集成接觸/非接觸的雙模感知技術(shù)。當(dāng)前機(jī)器人非接觸傳感技術(shù)存在諸多缺陷，超聲傳感易受環(huán)境噪聲和多徑反射干擾、地磁傳感對電磁干擾高度敏感、濕度傳感受氣流和溫度波動影響大，而基于靜電場的傳感技術(shù)雖魯棒性更強(qiáng)，但現(xiàn)有方案因固有靜電場強(qiáng)度不足，導(dǎo)致檢測范圍窄、靈敏度隨距離快速衰減，難以實際應(yīng)用。

電鰻、鯊魚等魚類通過電感受器感知靜電場實現(xiàn)目標(biāo)探測，該方式利用靜電場穩(wěn)定傳播、不受目標(biāo)光學(xué)/聲學(xué)/磁學(xué)特性影響的優(yōu)勢，為研發(fā)高魯棒性非接觸傳感技術(shù)提供了生物原型，而如何增強(qiáng)靜電場強(qiáng)度、拓展檢測范圍成為核心技術(shù)瓶頸。

二、研究亮點(diǎn)

1. 將預(yù)極化膨體聚四氟乙烯（ePTFE）駐極體嵌入Ecoflex彈性基體，表面沉積銀納米線（AgNWs）電極，同時實現(xiàn)非接觸靜電場傳感（基于駐極體靜電場效應(yīng)）和接觸摩擦電傳感（基于界面電荷轉(zhuǎn)移），兩種傳感模式信號特征差異顯著，無相互干擾。

2. 通過提高ePTFE駐極體的表面電荷密度、增大傳感界面面積，顯著增強(qiáng)了靜電場強(qiáng)度，使非接觸傳感的有效檢測距離拓展至24cm，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有靜電非接觸傳感技術(shù)，且在全檢測范圍內(nèi)保持可檢測的電位變化。

3. 基于Ecoflex高彈性基體，電子皮膚可承受450%的拉伸應(yīng)變，且Ecoflex封裝有效保護(hù)駐極體表面電荷，儲存1個月后表面電位仍保持初始值的60%，浸水測試也驗證了其在復(fù)雜環(huán)境中的耐久性。

三、研究內(nèi)容

本研究圍繞雙模電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備、傳感機(jī)理、性能優(yōu)化、智能識別、機(jī)械手集成演示展開系統(tǒng)性研究，核心內(nèi)容分為五部分：

1. 電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備

圖1：電子皮膚的生物靈感、結(jié)構(gòu)、制備及基礎(chǔ)性能

a) 鯊魚電感受器的結(jié)構(gòu)示意圖：展示鯊魚洛倫齊尼壺腹電感受器的生物原型，為靜電場傳感設(shè)計提供靈感；

b) 機(jī)械手搭載的電子皮膚結(jié)構(gòu)：清晰呈現(xiàn)ePTFE駐極體、Ecoflex基體、AgNWs電極的三層核心結(jié)構(gòu)，標(biāo)注非接觸電場傳感的檢測原理；

c) 搭載電子皮膚的機(jī)械手實物圖：驗證電子皮膚與機(jī)械手的兼容性，結(jié)構(gòu)柔性可適配機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動；

d) 機(jī)械手類人多模態(tài)感知示意圖：將電子皮膚的非接觸傳感類比人類視覺、接觸傳感類比人類觸覺，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)類人感知；

e) 非接觸/接觸傳感信號對比：兩種模式信號幅值、特征差異顯著，非接觸信號為平穩(wěn)電位變化，接觸信號為脈沖式峰值信號，可清晰區(qū)分；

f) 電子皮膚制備流程：依次為ePTFE駐極體嵌入、Ecoflex固化、AgNWs電極沉積，步驟簡潔可規(guī)?；苽洌?/span>

g) 電子皮膚單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線：驗證其可承受最高450%的拉伸應(yīng)變，機(jī)械魯棒性優(yōu)異；

h) 電子皮膚表面電位隨時間變化曲線：儲存30天后表面電位保留初始值的60%，證明駐極體電荷穩(wěn)定性良好。

以Ecoflex為柔性基體，內(nèi)嵌50μm厚ePTFE駐極體，表面制備AgNWs導(dǎo)電電極，形成“駐極體-彈性基體-導(dǎo)電電極”的三明治結(jié)構(gòu)。采用電暈充電法對ePTFE極化，將Ecoflex預(yù)聚體與極化ePTFE復(fù)合固化，通過噴霧法沉積AgNWs并形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)異丙醇清洗保證電極界面性能。

AgNWs電極方阻低至12.34 Ω sq?1，導(dǎo)電性能優(yōu)異；電子皮膚拉伸性、柔韌性良好，且Ecoflex封裝大幅提升駐極體電荷穩(wěn)定性和環(huán)境耐受性。

2. 非接觸靜電傳感的機(jī)理與性能優(yōu)化

圖2：非接觸靜電傳感的機(jī)理與基礎(chǔ)性能驗證

a) 非接觸傳感簡化物理模型：明確ePTFE駐極體（負(fù)電荷）、目標(biāo)物體（正電荷）、AgNWs電極的空間位置，推導(dǎo)靜電場相互作用引起的電極電位變化規(guī)律；

b) 電極電位變化隨目標(biāo)距離的變化曲線：目標(biāo)靠近時電位升高、遠(yuǎn)離時降低，與理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果一致，驗證了傳感機(jī)理的合理性；

c) 有無駐極體的電極電位變化對比：無ePTFE駐極體時電位變化量＜10V，嵌入-2000V駐極體后電位變化量提升至≈80V，證明駐極體是靜電增強(qiáng)的核心；

d) 目標(biāo)遠(yuǎn)離時電極電位變化曲線：電位隨距離增加呈單調(diào)下降趨勢，反映靈敏度隨距離衰減的固有特性；

e) 每1cm距離增量的電位變化量：距離從1cm增至7cm，電位變化量從≈10V降至≈1V，量化了靈敏度的衰減規(guī)律；

f) 不同材質(zhì)（PI、PET、紙張）的非接觸傳感曲線：所有材質(zhì)均呈現(xiàn)靈敏度隨距離衰減的趨勢，驗證了傳感技術(shù)對不同材質(zhì)的普適性。

ePTFE駐極體帶負(fù)表面電荷，當(dāng)目標(biāo)物體靠近時，其表面電荷與駐極體靜電場相互作用，引起AgNWs電極電位變化，電位變化量與目標(biāo)距離、表面電荷密度相關(guān)，通過檢測電位變化實現(xiàn)非接觸感知。

建立有限尺寸平行板電容物理模型，推導(dǎo)得出電極電位變化與表面電荷密度、傳感面積成正比，與檢測距離的三次方成反比，解釋了傳統(tǒng)傳感靈敏度隨距離衰減的原因。

性能優(yōu)化策略：①提高ePTFE駐極體表面電位（最高至-8kV），提升表面電荷密度；②增大傳感界面面積（至20cm×20cm），削弱邊緣效應(yīng)，使靜電場分布接近理想均勻場；兩種策略結(jié)合實現(xiàn)了靜電場強(qiáng)度的顯著增強(qiáng)。

3. 接觸摩擦電傳感的機(jī)理與特征提取

圖3：靜電增強(qiáng)非接觸傳感的性能優(yōu)化與對比

a) 電位變化量隨駐極體/目標(biāo)表面電位的變化：ePTFE駐極體和目標(biāo)物體的表面電位越高，電位變化量越大，證明表面電荷密度是提升傳感強(qiáng)度的關(guān)鍵；

b) 不同駐極體電位（-8kV/-1kV）下多種材質(zhì)的電位變化對比：-8kV駐極體對Al、Cu、PI等所有測試材質(zhì)的電位變化量均顯著高于-1kV，驗證了高電荷密度的增強(qiáng)效果；

c) 傳感面積對電位變化量的影響：面積從5cm×5cm增至20cm×20cm，電位變化量顯著提升，證明增大面積可削弱邊緣效應(yīng)、增強(qiáng)傳感強(qiáng)度；

d) 最優(yōu)條件下（-8kV駐極體、+8kV目標(biāo)、20cm×20cm面積）電位變化量隨距離的變化：初始1cm時電位變化量≈400V，距離增至24cm時仍有≈1V的可檢測信號，實現(xiàn)了檢測范圍的大幅拓展；

e) 與現(xiàn)有非接觸傳感技術(shù)的性能對比：本研究在傳感強(qiáng)度和檢測距離上均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)摩擦電、離子-電子相互作用等非接觸傳感技術(shù)，突破了行業(yè)瓶頸。

當(dāng)電子皮膚與目標(biāo)物體直接接觸時，因不同材料電負(fù)性差異，界面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，AgNWs電極檢測到摩擦電信號，信號的峰值、谷值特征由物體材質(zhì)的電負(fù)性決定。

通過控制機(jī)械手接觸力在穩(wěn)定范圍、利用短時間窗口內(nèi)環(huán)境濕度準(zhǔn)靜態(tài)的特點(diǎn)，消除了接觸力和環(huán)境濕度對摩擦電信號的干擾，保證了材質(zhì)識別的準(zhǔn)確性。

4. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的特征識別與模型訓(xùn)練

圖4：基于非接觸傳感的物體形狀識別

a) 電子皮膚對不同形狀物體的非接觸掃描示意圖：不同形狀物體與電子皮膚的距離、接觸面積存在差異，產(chǎn)生不同特征的傳感信號；

b) 5種形狀的非接觸傳感原始信號：立方體信號幅值最高、持續(xù)時間最長，半圓柱/梯形信號幅值低、持續(xù)時間短，各形狀信號特征差異顯著；

c) 信號特征提取全流程：原始信號→延拓補(bǔ)全→去直流分量→傅里葉變換→提取5個核心頻率域特征，完成從原始信號到機(jī)器學(xué)習(xí)可識別特征的轉(zhuǎn)換；

d) 波形數(shù)據(jù)延拓處理：將非周期原始信號延拓為周期信號，保證傅里葉變換的準(zhǔn)確性；

e) LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：輸入層（800×5×1）→兩層LSTM層（64/32時間步）→全連接層→輸出層（5類形狀），適配形狀識別的特征維度；

f) LSTM形狀識別混淆矩陣：5種形狀的識別準(zhǔn)確率均為100%，無錯分、漏分情況，模型識別性能優(yōu)異；

g) LSTM模型訓(xùn)練曲線：訓(xùn)練集和驗證集的準(zhǔn)確率隨訓(xùn)練輪次提升并趨于收斂，無過擬合現(xiàn)象，模型穩(wěn)定性良好；

h) 不同模型識別準(zhǔn)確率對比：LSTM（100%）＞CNN（100%）＞SVM（97.5%），驗證了LSTM對時序傳感信號的最優(yōu)適配性。

選取立方體、三棱柱、半圓柱、直角梯形、等腰梯形5種典型形狀，提取非接觸電位信號的時域波形，經(jīng)延拓、去直流、傅里葉變換后，提取平均振幅、振幅標(biāo)準(zhǔn)差、最大振幅、峰值頻率、頻帶寬度5個特征，輸入LSTM/CNN/SVM模型訓(xùn)練，LSTM模型實現(xiàn)100%識別準(zhǔn)確率。

圖5：基于接觸傳感的物體材質(zhì)識別

a-b) 機(jī)械手與目標(biāo)物體的接觸傳感示意圖：機(jī)械手帶動電子皮膚與物體表面接觸，界面發(fā)生摩擦電荷轉(zhuǎn)移，AgNWs電極采集摩擦電信號；

c) 7種測試材質(zhì)實物：涵蓋金屬（Al、Cu）、聚合物（PI、尼龍、亞克力）、生物/紙質(zhì)材料（人體皮膚、紙張），貼合實際應(yīng)用場景；

d) 7種材質(zhì)的摩擦電原始信號：不同材質(zhì)的信號峰值、谷值、極性差異顯著，為材質(zhì)識別提供特征基礎(chǔ)；

e) 摩擦電信號的峰值/谷值特征提?。哼x取信號的最大正峰值和最大負(fù)谷值作為核心特征，簡化特征維度且保留材質(zhì)特異性；

f) 材質(zhì)識別的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：針對峰值/谷值二維特征優(yōu)化結(jié)構(gòu)，輸入層（1260×2×1）→兩層LSTM層（64/32時間步）→全連接層→輸出層（7類材質(zhì)）；

g) 訓(xùn)練集特征值分布：7種材質(zhì)的特征值在二維空間中呈聚類分布，類間區(qū)分度高，為模型識別提供基礎(chǔ)；

h) LSTM材質(zhì)識別混淆矩陣：整體準(zhǔn)確率97.35%，僅少數(shù)材質(zhì)存在個別錯分，模型識別精度高；

i) 不同模型識別準(zhǔn)確率對比：LSTM（97.35%）＞SVM（94.74%）＞CNN（93.79%），再次驗證LSTM對傳感信號的識別優(yōu)勢。

選取鋁、銅、聚酰亞胺（PI）、尼龍、亞克力、紙張、人體皮膚7種常見材質(zhì)，提取摩擦電信號的峰值、谷值為核心特征，輸入優(yōu)化后的LSTM/CNN/SVM模型訓(xùn)練，LSTM模型實現(xiàn)97.35%識別準(zhǔn)確率。

5. 多功能機(jī)械手的集成與實際演示

圖6：多功能機(jī)械手的信號處理流程與復(fù)合樣品識別演示

a) LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整體計算流程：原始傳感信號→濾波/模數(shù)轉(zhuǎn)換→特征提取→模型訓(xùn)練（已知數(shù)據(jù)）/模型測試（未知數(shù)據(jù)）→輸出物體形狀/材質(zhì)識別結(jié)果，實現(xiàn)全流程自動化；

b) 集成電子皮膚的機(jī)械手實物圖：電子皮膚緊密貼合機(jī)械手手指，不影響機(jī)械手的抓取、掃描等動作；

c-g) 復(fù)合樣品的形狀與材質(zhì)同步識別演示：依次對亞克力半圓柱、鋁立方體、銅三棱柱、銅直角梯形、鋁等腰梯形進(jìn)行檢測，均實現(xiàn)形狀和材質(zhì)的精準(zhǔn)識別，直觀驗證了技術(shù)的實際應(yīng)用能力。

將雙模電子皮膚粘貼于機(jī)械手手指，搭建“傳感信號采集-濾波-模數(shù)轉(zhuǎn)換-串口傳輸-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別”的全流程處理系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的實時采集與識別。

實際演示：①單獨(dú)形狀識別：成功識別5種3D打印典型形狀；②單獨(dú)材質(zhì)識別：準(zhǔn)確區(qū)分7種不同材質(zhì)；③復(fù)合樣品識別：對亞克力半圓柱、鋁立方體、銅三棱柱等復(fù)合樣品，實現(xiàn)形狀與材質(zhì)的同步精準(zhǔn)識別，驗證了技術(shù)的實用性。

四、研究結(jié)論與展望

本研究以鯊魚電感受器為靈感，設(shè)計了基于ePTFE駐極體和AgNWs電極的雙模電子皮膚，成功實現(xiàn)了非接觸靜電場傳感和接觸摩擦電傳感的一體化，兩種傳感模式信號特征明確、性能獨(dú)立。提出了表面電荷密度提升+傳感面積增大的靜電增強(qiáng)策略，有效解決了傳統(tǒng)靜電非接觸傳感靈敏度低、檢測范圍窄的問題，使有效檢測距離拓展至24cm，傳感強(qiáng)度顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。針對非接觸形狀傳感和接觸材質(zhì)傳感的信號特征，優(yōu)化了頻率域/時域特征提取方法，結(jié)合LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了100%的形狀識別準(zhǔn)確率和97.35%的材質(zhì)識別準(zhǔn)確率，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型。電子皮膚具備優(yōu)異的機(jī)械性能、環(huán)境穩(wěn)定性和工藝兼容性，可便捷集成于商用機(jī)械手，成功完成了形狀、材質(zhì)及復(fù)合樣品的同步識別演示，驗證了技術(shù)的實用性和可靠性。該雙模電子皮膚為機(jī)器人多模態(tài)感知提供了全新的技術(shù)范式，突破了接觸式傳感的局限性，實現(xiàn)了機(jī)器人對環(huán)境的“提前感知+精準(zhǔn)接觸”的類人感知能力。

本研究不僅為機(jī)器人非接觸傳感技術(shù)提供了新的設(shè)計思路，更搭建了傳感技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)融合的多模態(tài)感知體系，推動了智能機(jī)器人從“接觸式操作”向“感知-決策-操作”一體化的智能交互發(fā)展，在工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、假肢康復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。