《Sensors and Actuators A: Physical》：Recent advancements in tactile sensors for robotic manipulation based on the piezoelectric and triboelectric effects: A review
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葛成鹏|何立东|孙彦松|马继杰|胡一丽|李亚|李建平|王颖婷|张中华|文建明中国浙江省金华市浙江师范大学计算机科学与技术学院，321004摘要与传统的外部供电触觉传感器相比，压电和摩擦电传感器支持自供电和高动态感知，但它们在机器人操控中的相对优势和局限性尚未得到系统研究。本综述基
葛成鹏|何立东|孙彦松|马继杰|胡一丽|李亚|李建平|王颖婷|张中华|文建明
中国浙江省金华市浙江师范大学计算机科学与技术学院，321004
摘要
与传统的外部供电触觉传感器相比，压电和摩擦电传感器支持自供电和高动态感知，但它们在机器人操控中的相对优势和局限性尚未得到系统研究。本综述基于压电和摩擦电效应，介绍了用于机器人操控的触觉传感器的进展，包括其机制、功能和应用。这些传感器的核心优势在于能够将外部物理信息转换为电信号，从而实现对物体表面多维物理特征（如压力、应变、纹理和硬度）的精确检测和定量分析。此外，压电触觉传感器具有微秒级的高速动态响应和卓越的灵敏度。相比之下，摩擦电触觉传感器结构简单且成本效益高，非常适合多维力检测和大面积柔性阵列集成。这些传感器在工业自动化、食品分选、医疗诊断等相关领域展现出巨大的应用潜力和广阔的发展前景。最后，本文认为进一步优化和推进这类触觉传感器对于满足复杂工作场景中机器人的操作需求至关重要，旨在促进触觉传感器在机器人操控领域的广泛应用。
引言
在技术迅速发展的当今时代，智能机器人正以前所未有的速度不断进化[1]、[2]、[3]。作为实现类人智能操控的关键组件，机器人的触觉感知为机器人可靠地执行复杂任务提供了必要的感知支持，重塑了人机交互的物理边界和智能算法的认知层面[4]、[5]、[6]、[7]。用于机器人操控的触觉传感器的发展始于20世纪70年代，至今已持续了50多年，包括70年代[8]、[9]、[10]、[11]、90年代[12]、[13]、[14]、[15]、21世纪初[16]、[17]、[18]、[19]以及2010年之后的时期[20]、[21]、[22]、[23]。得益于触觉传感器，机器人具备了类似人类皮肤的感知能力，能够实现精确的物体抓取和与环境的自适应交互[24]、[25]、[26]。然而，触觉传感器仍面临一些挑战，如耐用性有限、复杂性较高和灵活性较低。此外，机器学习算法被广泛用于分析触觉感知数据，但人工智能算法的训练时间较长，泛化能力不足，导致感知精度不够理想[27]、[28]。因此，通过推动技术发展，触觉传感器将朝着更高的灵活性、微型化和智能化方向发展，最终促进机器人操控技术的发展[29]。
触觉传感器通过感知和转换与外部物体相互作用时产生的物理信号来有效捕获触觉信息，包括压阻式、电容式、压电式和摩擦电式[30]。压阻式传感器通过监测机械变形引起的电阻变化来实现力检测，具有高灵敏度、良好的响应线性和微型化潜力等优势。然而，这类传感器通常存在基线漂移、滞后效应以及需要外部电源等固有局限性[31]、[32]。电容式传感器通过监测两个电极之间介电层变形引起的电容变化来实现触觉感知，具有超高的灵敏度，能够检测微小的位移，并对温度漂移具有很强的抵抗力[33]。不过，这些传感器通常需要复杂的封装设计来减少环境湿度的干扰，且仍依赖外部连续电源才能稳定运行[34]。相比之下，基于压电和摩擦电效应的触觉传感器因能够自发电信号而更具前景[35]、[36]。压电触觉传感器表现出出色的优势，包括微秒级的高速动态响应和优异的灵敏度，能够有效捕捉高频振动和滑移冲击等瞬态力信号，同时具有宽动态范围和适应某些极端工作条件的能力。摩擦电触觉传感器则结构简单、成本低廉，非常适合多维力检测和大面积柔性阵列集成[8]、[37]。这两种类型的传感器都能模拟人类触觉功能，实现对物体表面各种物理特征的检测和定量表征。通过这些传感器，机器手可以执行精确的操作。目前，许多研究人员对压电和摩擦电触觉传感器进行了广泛研究。在Web of Science核心数据库中使用关键词组合策略进行了文献搜索，获得了大量相关的高质量研究论文。
本综述基于压电和摩擦电效应，介绍了用于机器人操控的触觉传感器的进展。首先，分析了压电材料的压电效应以及摩擦电效应中接触摩擦电化的理论建模和分析推导。随后，描述了触觉传感器在机器人操控中的一些功能和应用。系统地阐述了压电和摩擦电触觉传感器在检测压力、应力、硬度、表面纹理和多模态触觉信息方面的感知性能和应用。虽然之前的综述分别关注压电或摩擦电传感器，但本综述从功能角度对压力、应变、纹理和硬度检测进行了比较，强调了它们在机器人操控中的不同权衡。这些传感器在工业自动化、食品分选和医疗保健等多个领域具有广阔的应用潜力。最后，结论部分讨论了当前触觉传感器在机器人操控中面临的挑战和未来发展趋势，例如开发高性能智能材料以提高感知性能。
部分摘录
基于压电和摩擦电效应的触觉传感器的工作原理
触觉传感器是解释环境信息的关键组件。它们不仅作为数字接口与机械特征接触，还是建立人机交互闭环系统的关键信息枢纽。压电触觉传感器基于正压电效应工作。当敏感材料受到外部机械力作用时，内部会发生自发电极化，从而直接将机械能转化为电能
摩擦电/压电触觉传感器的功能和应用
随着技术的进步，用机器人替代人工操作成为热议话题。然而，实现这一目标需要解决多个重大挑战，其中触觉感知是一个关键组成部分。触觉是人类协调交互的主要方式，通过众多感受器处理外部刺激[5]、[6]、[7]。通常，物体的识别是通过触觉实现的，特征的识别也是通过触觉完成的
结论
从本综述可以看出，压电传感器在高频动态力检测方面表现出色，响应时间达到微秒级别，而摩擦电传感器则提供了更广泛的材料选择和更好的大面积阵列兼容性。通过详细阐述压电和摩擦电触觉传感器在多种场景下的感知机制、功能特性和发展趋势，明确展示了它们的发展潜力，从基本设备开发开始
CRediT作者贡献声明
马继杰：概念化。胡一丽：概念化。李亚：概念化。李建平：概念化。王颖婷：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。张中华：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。文建明：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。葛成鹏：撰写——初稿、数据整理、概念化。何立东：概念化。孙彦松：概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号LZ24E050008、LQN25E050022）和国家自然科学基金（项目编号52077201）的支持。
葛成鹏于2023年获得浙江师范大学机械工程硕士学位，目前在中国金华市的浙江师范大学攻读计算机科学与技术博士学位。他的研究兴趣包括能量收集、自供电传感和机器学习。
