电子皮肤赋予机器人和假肢“类人触觉感知”能力

电子皮肤为机器人和假肢带来"类人触觉感知"

Hanyang University ERICA 的研究人员开发了一种垂直集成的双栅晶体管设计，有望为机器人带来"可靠的触觉感知能力以及高密度、大面积集成能力"。传统的摩擦电子（tribotronic）器件能够将触摸等机械刺激转换为电信号，但其灵敏度固定，且在大面积集成方面存在挑战。

在一项新研究中，研究人员开发了一种新型垂直集成双栅摩擦电子晶体管架构，该架构提供可调灵敏度、可靠的接触与接近检测能力，同时实现最小化的像素占用面积，从而支持高密度阵列集成。这项技术可以为电子皮肤系统铺平道路，使机器人和假肢能够可靠地感知人类的触摸。

近年来，微型化和便携式电子设备，尤其是可穿戴和柔性器件的发展，增加了对自供电感知技术的需求。其中，摩擦电纳米发电机（TENGs）在开发高灵敏度触觉传感器方面受到越来越多的关注。TENGs 通过电荷的重新分布，将外部机械刺激转换为电信号。它们在先进电子皮肤和智能机器人技术的开发中尤其具有吸引力。

然而，传统的摩擦电子器件存在灵敏度不可调的问题，并且在集成到大面积架构中时面临挑战，限制了实际应用。为了解决这些局限性，由韩国 Hanyang University 光子与纳米电子学系副教授 Jaekyun Kim 领导的研究团队开发了一种新型垂直集成双栅摩擦电子晶体管。

"我们的垂直双栅架构不仅提供了对摩擦电子响应的栅极可调放大，还最小化了像素占用面积，实现了高密度、大面积集成，"Kim 博士解释道。他们的研究于 2026 年 4 月 9 日在线发布，并于 2026 年 6 月 15 日发表在《Nano Energy》第 153 卷上。

所提出的双栅摩擦电子晶体管以聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦电感知层作为顶栅，堆叠在专用的栅极绝缘层之上，而栅极绝缘层下方则是铟锡锌氧化物（ITZO）薄膜晶体管（TFT）。这种创新配置实现了对灵敏度的协同控制。

在默认状态下，底栅设定流经 ITZO 晶体管的基线电流。为了实现接触和接近感知，器件首先经历一个充电阶段，在该阶段，一块不锈钢板与 PDMS 表面接触，从而在界面处形成摩擦电荷。当钢板与 PDMS 层分离时，这些积累的电荷会产生摩擦电势，该电势充当顶栅电压，抑制流经 ITZO 晶体管的电流。当带电的钢板或其他物体再次接近 PDMS 表面时，摩擦电势逐渐降低，晶体管电流随之恢复，恢复程度取决于钢板或表面的接近程度。这种电流变化即为摩擦电子响应，指示接触或接近事件。与此同时，底栅电压设定基线电流，从而允许通过电学方式调节灵敏度。具体而言，研究人员发现灵敏度随底栅电压的增加而提高。

研究人员还表明，增大接触压力会扩大 PDMS 层与接触物体之间的有效接触面积，产生更多的摩擦电荷，从而产生更强的响应。此外，该器件在每次接触-分离循环中表现出稳定的响应和恢复时间，分别为 127 毫秒和 212 毫秒。在经过 1,000 次工作循环后，器件仍保持稳定的性能，没有明显的性能下降。

为了演示主动触觉感知，研究人员使用所提出的架构制造了一个 10 × 10 的晶体管阵列。在最初用不锈钢板为感知层充电后，他们演示了对手指触摸的像素级响应，以及使用不锈钢探针在高达 500 微米距离内实现可靠的接近感知。

"我们的研究可以为电子皮肤系统的开发做出贡献，使机器人、假肢设备和可穿戴电子设备能够更精确地感知触摸、压力和接近，"Kim 博士表示。"这将带来更安全、更可靠的人机交互，可应用于医疗机器人、健康监测和自主系统。"

总体而言，这种创新架构为可编程、机械性能稳健的摩擦电子传感器阵列提供了一个可扩展的平台，为先进的人机界面铺平了道路。