用于力测量和人体运动监测的摩擦电-电磁混合触觉传感器
2025-08-25 13:55:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员设计、制造并测试了一种摩擦电-电磁混合触觉传感器（TEH-TS）。该传感器将TENG和EMG集成到简洁精巧的设计中。
触觉传感器已广泛应用于机器人、医学成像和消费类电子产品，它模仿人体皮肤下的皮下感受器来检测环境中的反馈刺激。电磁发电机（EMG）和摩擦纳米发电机（TENG）是触觉传感器的两种主要驱动机制。这两种机制使机电转换具有高转换效率和设计紧凑性。
据麦姆斯咨询报道，近期，香港中文大学和西安交通大学联合设计、制造并测试了一种摩擦电-电磁混合触觉传感器（TEH-TS）。该传感器将TENG和EMG集成到简洁精巧的设计中。对于TENG，铝箔和聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜构成了用于电荷转移的双面夹层结构。对于EMG，磁电橡胶的形变在铜平面线圈中感应产生电压。电气测试表明，TEH-TS的开路电压足以满足触觉传感需求。力学测试表明，该触觉传感器具有高度线性的电压-力关系和频率依赖的灵敏度。应用测试表明，该触觉传感器可用于力测量和人体运动监测。相关研究成果以“A Triboelectric–Electromagnetic Hybrid Tactile Sensor for Force Measurement and Human Motion Monitoring”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
下图显示了摩擦电-电磁混合触觉传感器（TEH-TS）的爆炸图。这里使用三明治结构是因为TENG和EMG部件可以在紧凑的空间内完全集成。TEH-TS的EMG部分包括一个夹在上下外壳之间的铜平面线圈。上下外壳由磁电橡胶制成。TEH-TS的TENG部分包括四个铝箔和两个聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜。两个铝箔和一个PDMS膜形成TENG对。两对TENG位于铜平面线圈的上方和下方。与常用的TENG对：铜箔和聚四氟乙烯（PTFE）膜相比，铝箔更容易失去电子，PDMS膜具有更高的硬度和强度，适合循环加载。TEH-TS中的TENG和EMG部件完全紧凑地集成在一起，无需占用额外的空间。
TEH-TS的（a）爆炸图，（b）装配图，（c）照片，以及（d）工作原理。
TEH-TS的制造和组装
TEH-TS在被按压时可以通过TENG和EMG部分同时或独立地产生电信号。至于TENG部分，每对TENG都可以独立工作。这里采用TENG的接触-分离模式。当连接节点A₁-B₁、A₃-B₃和A₄-B₄全部连接（上TENG对），或A₂-B₂、A₃-B₃和A₅-B₅全部连接（下TENG对）时，TENG以单侧模式（TENG-S）工作。当A₁-B₁、A₂-B₂、A₃-B₃、A₄-B₄和A₅-B₅都连接时，TENG以双面模式（TENG-D）工作。
电气测试表明，TEH-TS的TENG-D和EMG连接后的开路电压增加到1.54 V，这足以进行触觉感知。TEH-TS在3000次循环载荷后的无衰减输出表明，其材料性能和电气机械结构在长期运行中是稳定的。
TEH-TS的开路电压和短路电流测试
力学测试表明，TEH-TS具有高度线性的电压-力关系和频率依赖的灵敏度。利用TEH-TS的灵敏度和测量的开路电压，可以很容易地以高精度计算接触力，证明了TEH-TS具有良好的触觉力测量性能。
TEH-TS的力表征
除了将TEH-TS放置在体外进行人体运动监测，TEH-TS还可以附着在人体上进行运动监测。由于采用柔软可变形的材料制成，该传感器能便捷地贴合人体皮肤，因此可用于监测不同尺度的多种肌肉活动和状况。
监测二头肌拉伸和收缩的开路电压
总而言之，研究人员设计、制造并测试了摩擦电-电磁混合触觉传感器（TEH-TS）。利用TENG和EMG的优势，TEH-TS通过按压和释放外壳来输出电能，以进行触觉感知。TEH-TS的三种工作模式（TENG-D、TENG-S和EMG）可以独立运行，TENG-D和EMG可以进一步连接以提高其输出性能。随后，对TEH-TS进行了电气、力学和应用测试，可以得出以下结论：
（1）TEH-TS的TENG-D和EMG连接后的开路电压增加到1.54 V，足以满足触觉传感需求。
（2）TEH-TS具有高度线性的机电关系及频率依赖型灵敏度，有利于力测量。
（3）通过分析开路电压的特征，TEH-TS可用于力测量和人体运动监测。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10819340
延伸阅读：
相关热词搜索：触觉传感器
上一篇：基于压电传感器和FeFET的近传感器模拟计算，用于触觉感知系统
下一篇：超高精度力传感技术：基于光镊的超分辨光子力显微镜