一種用于社交機(jī)器人和助聽器的新型摩擦電傳感器

來自中國重慶大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種自供電摩擦電傳感器(TAS)，可用于在智能機(jī)器人應(yīng)用中構(gòu)建外部助聽器的電子聽覺系統(tǒng)。他們最近發(fā)表在Science Robotics上的研究可以為創(chuàng)造新一代聽覺系統(tǒng)提供信息，解決社會(huì)機(jī)器人領(lǐng)域的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

聽覺系統(tǒng)是人類和機(jī)器人之間最直接，最有效的交流方式。理想情況下，機(jī)器人聽覺系統(tǒng)應(yīng)該允許機(jī)器人聽取人類指令，同時(shí)也能感知他們的聲音語調(diào)，以便做出相應(yīng)的反應(yīng)。

因此，社交機(jī)器人的關(guān)鍵目標(biāo)之一是設(shè)計(jì)在寬頻率范圍內(nèi)功能強(qiáng)大且靈敏的聽覺傳感器。這些應(yīng)用也可能使全球10%的聽力受損人群受益。

“通常，聽力受損的人總會(huì)失去一個(gè)或幾個(gè)特定的??頻率區(qū)域，”進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員告訴Tech Xplore。“外部助聽器的目的是將特定受損聲音區(qū)域擴(kuò)大到這些人的聽覺水平。因此，使用具有頻率選擇性的聽覺傳感器作為用于恢復(fù)聽力受損的助聽器裝置將增強(qiáng)人機(jī)器人的社交互動(dòng)。”

機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的另一個(gè)挑戰(zhàn)與功率和能量有關(guān)。為了成功設(shè)計(jì)具有寬帶頻率響應(yīng)和頻率選擇性的聽覺傳感器，研究人員應(yīng)該使用傳統(tǒng)的聲學(xué)傳感器和精確的信號(hào)處理電路，從而提高功耗并縮短工作周期。

“建立自供電聲學(xué)傳感器的傳統(tǒng)方法是基于壓電效應(yīng)和梯形裝置結(jié)構(gòu)，”研究人員解釋說。“然而，與人聲的頻率范圍相比，壓電傳感器具有相當(dāng)?shù)偷妮敵鲂盘?hào)和相對高的頻率響應(yīng)區(qū)域。此外，多信號(hào)通道，復(fù)雜的制造工藝和壓電材料大大提高了它們的成本。”

為了解決這些問題，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的易于制造的圓形，單通道和自供電聽覺傳感器(TAS)。納米發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。

有三種主要類型的納米發(fā)電機(jī)：壓電，摩擦電和熱電。壓電和摩擦發(fā)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能來產(chǎn)生電能，但前者通過納米結(jié)構(gòu)的壓電材料來做到這一點(diǎn)，摩擦電發(fā)電機(jī)通過摩擦起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

“我們的TAS設(shè)備的亮點(diǎn)是自供電傳感和可定制的光譜特性，”研究人員解釋說。“TAS的振動(dòng)膜覆蓋有導(dǎo)電層，底部導(dǎo)電層覆蓋有摩擦材料層。在聲波下，膜振動(dòng)導(dǎo)致膜與摩擦材料接觸，產(chǎn)生電荷分布。由于靜電感應(yīng)效應(yīng)，振動(dòng)會(huì)通過兩個(gè)導(dǎo)電層產(chǎn)生信號(hào)輸出。對于每個(gè)固定膜，都會(huì)有一個(gè)特定的振動(dòng)特性。由于TAS的簡單結(jié)構(gòu)，我們可以設(shè)計(jì)膜的邊界條件，以實(shí)現(xiàn)可定制的光譜我們需要。”

經(jīng)過測試，研究人員開發(fā)的傳感器在人類語音范圍內(nèi)產(chǎn)生了高輸出信號(hào)，板帶頻率響應(yīng)和頻率選擇性。它們的傳感器也相對容易構(gòu)建，并在單通道設(shè)備中提供可定制的頻譜。

“高輸出信號(hào)和單通道可能會(huì)大大減少信號(hào)處理，從而降低功耗，”研究人員說。“所使用的材料及其易于制造提高了設(shè)計(jì)透明聽覺系統(tǒng)和廣泛的其他設(shè)備的可行性。我們認(rèn)為這種技術(shù)可以為機(jī)器人和助聽器應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的節(jié)能聽覺系統(tǒng)。”

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的工作突出了摩擦電納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的巨大潛力，以應(yīng)對社會(huì)機(jī)器人領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，并建立更有效的助聽器。他們現(xiàn)在正在計(jì)劃開發(fā)用于各種人機(jī)交互的新傳感器，同時(shí)將他們最近開發(fā)的技術(shù)推向工業(yè)化。