SVTAS 不简单！触觉声学精准感，人工感知显身手！

大家好！今天来了解一种具有创新性的自供电可视化触觉声学传感器（SVTAS）研究成果——《Self-powered visualized tactile-acoustic sensor for accurate artificial perception with high brightness and record-low detection limit》发表于《SCIENCE ADVANCES》，它在人工智能感知领域展现出了巨大的潜力。这一研究成果为我们带来了一种全新的感知方式，有望在多个领域得到广泛应用。接下来，我将从传感器的结构、工作原理、性能特点以及应用前景等方面进行详细介绍。

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一、研究背景与意义

在当今科技飞速发展的时代，人工智能和人机交互技术日益重要。传统的人工感知系统往往依赖复杂电路和易受电磁干扰的电传感器，而物联网应用通常需要高数据吞吐量和有限能源供应，这使得传统系统面临诸多挑战。因此，自供电可视化传感器应运而生，它模拟人工视觉感知系统，基于人类可读的光信号实现无线通信且无电磁干扰，为解决这些问题提供了新途径。其中，摩擦起电诱导电致发光（TIEL）技术因能将微弱机械刺激转化为实时发光，具有结构简单、触发阈值低、响应性高、重复性和稳定性好等优点，成为开发可视化传感器的新方向。

二、SVTAS的结构与工作原理

（一）结构组成

SVTAS采用逐层结构设计，包括由PVDF纳米纤维构成的摩擦起电层、含ZnS:Cu的PMMA（ZEPM）柔性发光层、透明网状电极增强层和基底。这种结构设计使其能够在不同工作模式下有效地将外界刺激转换为TIEL信号。

（二）工作模式

水平滑动（HS）模式：在HS模式下，外部物体的移动使PVDF纳米纤维与发光层产生相对运动，由于二者摩擦电极性差异，表面电荷分布发生变化，从而产生交变电场，激发发光层中的电致发光材料产生TIEL信号，实现对触觉信号的感知。

接触分离（CS）模式：当声波作用于SVTAS时，会引起PVDF纳米纤维膜两侧气压差，导致膜周期性振动，进而使PVDF膜与ZEPM膜之间发生接触分离摩擦起电，产生与声波相关的TIEL信号，实现对声学信号的感知。

三、网状电极增强层的优化设计

（一）优化目的

为提高TIEL灵敏度，研究人员对网状电极增强层的几何设计进行了优化。通过合理设计电极结构，期望增强电场强度和变化速率，从而提升SVTAS的整体性能。

（二）工作机制与仿真分析

1、工作机制

在HS模式下，以两个任意共面电极（和）简化网状电极增强层进行分析。当外部物体移动时，如PVDF纳米纤维相对于发光层移动，会使发光层带正电，PVDF纳米纤维表面带负电。在不同位置，电荷产生的电场方向和大小会发生变化，形成交变电场，激发底层电致发光材料产生TIEL信号，其光谱峰值在520nm。

2、仿真分析

通过COMSOLMultiphysics软件构建二维模型，模拟有无电极时电场分布。结果显示，有电极时电场在电极边缘得到增强，电致发光效率更高。

进一步研究不同电极间隙与宽度比（G/D）对TIEL强度的影响。发现通过优化G/D比，可显著提高电场变化幅度，增强TIEL强度。在相同面积和单元数量的电极中，当G/D比为2/4时，TIEL强度达到最大，且饱和速度更快。

四、SVTAS的触觉传感性能

（一）影响因素分析

ZnS:Cu含量：实验表明，在ZEPM薄膜中，ZnS:Cu磷光体的质量比为50wt%时，TIEL强度达到最大值。过高的ZnS:Cu含量会降低ZEPM薄膜的接触起电能力，抑制摩擦电荷的产生。

摩擦起电材料类型：PVDF纳米纤维因其高负电性、大表面积和可调节的杨氏模量，与PMMA聚合物摩擦电极性差异大，作为摩擦起电层可实现出色的TIEL性能。

运动频率：PVDF纳米纤维运动频率从1Hz增加到12Hz时，TIEL强度增强。这是因为单位时间内电子移动周期增加，激活了ZnS:Cu磷光体中的发光中心。

接触压力：在0.5-50kPa压力范围内，SVTAS的TIEL强度随压力变化，可分为三个区域。在低压力区域（0.5-25kPa），软质材料的弹性变形使接触面积缓慢增加，TIEL强度随压力升高而缓慢增强，压力灵敏度为0.92mW/cm²·kPa⁻¹；在中等压力区域（25-50kPa），PVDF纤维上的纳米结构使纳米级弹性变形有效扩大实际接触面积，TIEL强度随压力升高迅速增强，灵敏度为0.0074μW/cm²·kPa⁻¹；在高压力区域（>50kPa），压力成为主导因素，TIEL强度随压力升高增长变缓，灵敏度为0.004 mW/cm²·kPa ⁻¹。

（二）性能优势

高亮度与低检测限：SVTAS在HS模式下触觉传感的TIEL亮度高达0.5 mW/cm²（32cd/m²），在300勒克斯的环境光照下仍清晰可见，触发压力阈值低至0.5kPa，是目前TIEL材料中最低的。

稳定性与重复性：经过3小时、间隔500ms的测试，SVTAS的TIEL发射稳定，重复性良好。

多彩发光感知：ZEPM薄膜中的不同电致发光磷光体可产生多种颜色的发光，如绿色-蓝色、绿色和橙色，使SVTAS能够通过不同颜色的发光感知外部刺激。

实际应用示例：利用SVTAS作为触觉传感器开发了游戏智能控制系统，通过CCD相机捕捉其发光轨迹，实现游戏角色的相应移动，验证了该触觉传感系统的可行性。

五、SVTAS的声学传感性能

（一）传感原理

在CS模式下，声波传播引起PVDF纳米纤维膜两侧气压差，导致膜周期性振动，进而使PVDF膜与ZEPM膜之间发生接触分离摩擦起电，产生TIEL信号。通过模拟不同声学频率下PVDF纳米纤维圆形膜的变形位移，发现其在44.044Hz的一阶振动模式下出现共振频率，此时机械变形最显著。

（二）性能特点

频率响应特性：SVTAS的直径（Dm）、厚度（Tm）和间隙距离（Gm）是影响频率响应的关键参数。较大的Dm和Tm会导致较低的共振频率，适当的Gm可确保PVDF纳米纤维与ZEPM膜的接触及电荷补充。实验表明，SVTAS对44.07Hz声音响应最高，如在钢琴键声音测试中，当按下F1键（约43.7Hz）时，TIEL强度达到最大值，与模拟结果一致，且对不同钢琴键声音的重复测量显示其具有高重复性。

多音响应与频谱分析：当同时按下多个钢琴键时，SVTAS的频谱可显示出相应的多个键频率，如按下D1、F1和A1键时，频谱中出现36.7Hz、43.7Hz和55.0Hz三个频率；按下C1、F1和D1键时，频谱中出现49.0Hz、43.7Hz和36.7Hz三个频率。

方向声响应特性：SVTAS的方向声响应具有镜像对称性，可为声学传感提供宽角度范围。

声压级响应特性：在60-90dB声压级范围内，SVTAS对声音强度的传感具有高灵敏度，在85-90dB区域灵敏度为1.4mV/dB，且能通过监测TIEL峰值区分噪声，响应时间仅为0.8ms，信噪比为8.7dB⁻¹。

语音信息识别：SVTAS可识别人类语音中的文本信息，如记录了中文拼音“e、f、g”和英文字母“A、B”的发音光学信号曲线，为通过光学信号传输控制信号提供了可能。

六、SVTAS在语音识别中的应用

（一）系统构建

利用SVTAS独特的声学-TIEL响应性能，结合卷积神经网络（CNN）模型构建了先进的人工可视化感知系统进行语音识别。通过调整语音的振幅和频率，SVTAS可产生不同亮度和形状的发光图像，经自适应阈值分割方法提取有效图像数据后，输入CNN进行特征提取，从而学习人类语音声波中的隐藏语义。

（二）识别效果

单词识别：将SVTAS收集的“jump”、“run”、“squat”、“stand”和“walk”五个命令词的发光图像输入CNN模型训练，训练后的模型对这些单词的分类准确率高，混淆矩阵显示了模型的高准确性和强鲁棒性。该模型可应用于人机交互场景，如新型助听器或其他通信受限场景，如医生与核磁共振扫描患者之间的交流。

句子识别：尽管句子的声波持续时间长且有效信息纯度低，但经CNN模型处理后，SVTAS对六个句子的分类准确率也较高，归一化混淆矩阵表明其在句子语义识别方面具有良好性能。

七、总结与展望

SVTAS通过结合高模量PVDF纳米纤维、高发光ZEPM层和具有界面电荷捕获能力的网状电极增强层，基于TIEL单元实现了高亮度、低检测限的触觉和声学传感，为构建先进的人工可视化感知系统提供了关键技术支持。在实际应用中，无论是在娱乐游戏的触觉控制，还是语音识别与人机交互等方面，SVTAS都展现出了巨大的潜力。

未来，通过将各组件层替换为可拉伸材料，SVTAS有望应用于更多新兴技术领域，如电子皮肤、可穿戴设备和生物医学设备等。这将进一步拓展其在人工智能感知领域的应用范围，为智能感知技术的发展带来更多可能性。

八、一起来做做题吧

1、自供电可视化触觉声学传感器（SVTAS）在水平滑动（HS）模式下主要依靠什么来产生 TIEL 信号？

A. 声波引起的气压差

B. 摩擦起电层与发光层的相对运动产生的电荷变化

C. 外部电源驱动发光层

D. 网状电极增强层自身的电致发光特性

2、通过 COMSOL Multiphysics 软件模拟电场分布发现，优化网状电极增强层的 G/D 比能提高 TIEL 强度，主要原因是什么？

A. 改变了发光层材料的光学性质

B. 使电场在电极边缘得到增强，提高了电致发光效率

C. 增加了摩擦起电层与发光层之间的摩擦力

D. 降低了电极的电阻，使电流更容易通过

3、在 SVTAS 的触觉传感性能中，ZnS:Cu 含量对 TIEL 强度的影响是怎样的？

A. ZnS:Cu 含量越高，TIEL 强度越大

B. ZnS:Cu 含量越低，TIEL 强度越大

C. 在一定范围内，存在最佳 ZnS:Cu 含量使 TIEL 强度最大

D. ZnS:Cu 含量对 TIEL 强度无影响

4、SVTAS 在声学传感中，对声音频率的响应主要与哪个因素有关？

A. 仅与 PVDF 纳米纤维膜的直径有关

B. 仅与 PVDF 纳米纤维膜的厚度有关

C. 与 PVDF 纳米纤维膜的直径、厚度和间隙距离都有关

D. 与发光层的材料类型有关

5、在 SVTAS 用于语音识别的系统中，CNN 模型的作用是什么？

A. 直接产生 TIEL 信号

B. 对 SVTAS 产生的发光图像进行特征提取，学习语音语义

C. 调节声音的振幅和频率

D. 控制 SVTAS 的工作模式

参考文献：

Li Su et al. Self-powered visualized tactile-acoustic sensor for accurate artificial perception with high brightness and record-low detection limit.Sci. Adv.10,eadq8989(2024).