人类在追求更高感知能力的道路上，灵感常常源自自然界最精巧的设计。在仿生电子学领域，从仿人机器人到人工受体、执行器和假肢，研究人员不断向生物系统取经。其中，触觉传感器的研究尤为突出——那些模仿皮肤机械感受器的设备，能够对机械刺激产生高度响应，并已广泛应用于自主设备、人机界面以及虚拟/增强现实场景。然而，一个根本性的局限始终存在：这些触觉传感器只有被物理触摸或侵入时才会工作，对即将发生的“预接触”事件毫无反应。换句话说，它们在接触前处于“盲”状态。
那么，能否开发出能够探测近端预接触事件的先进传感器？这需要突破传统的接触模式范式。预接触探测的挑战在于，它涉及在真实距离内准确检测极其微弱的信号。此前的研究尝试过基于光感元件、电磁技术或超声波传感器的方案，但这些方法往往依赖红外辐射或可见光谱，容易受到环境光、天气变化和温度等参数的严重干扰。更关键的是，随着软体机器人和可拉伸电子器件的快速发展，未来的非接触式传感器或界面同样需要具备足够的灵活性和可拉伸性。
核心研究成果
人工触觉传感器构成了基于触摸的人机界面应用的基础，但在物理接触之前，它们始终无法对远程事件做出反应。自然界中有些鱼类，比如鲨鱼，却能利用电接收体感系统进行远程环境感知。受这一能力的启发，中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士与蒲雄研究员团队设计出一种软体人工电感受器，专门用于感知接近的目标。
这种电感受器的核心是一个弹性驻极体，它能够将环境预接触信息编码为一系列电压脉冲，从而构建出独特的预接触人机界面。研究的应用场景覆盖了预先警告系统、机器人控制、游戏操作，甚至三维物体识别。感知近端预接触事件的能力，无疑将大大丰富人机界面电子设备的功能和应用边界。相关成果以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”为题发表在Science Advances期刊上。
研究亮点与创新
1. 团队从鲨鱼的电感系统中汲取灵感，使用耐用且生物兼容的部件，构建了一个灵活透明的人工电感受器。该电感受器采用单电极配置，结构包括一层带热电效应的弹性驻极体、一层作为离子电极的导电有机水凝胶，以及一层封装用的硅胶基质PDMS。
2. 在此基础上，设计出的多功能无接触式人机界面，能够确定目标方向、操纵机器人手臂，甚至成功地玩电脑游戏。在机器学习算法的辅助下，人工电感受器矩阵还展现了在区分目标表面轮廓方面的可行性。
3. 这项工作为利用软性设备实现复杂、多维度的环境感知提供了新的思路，未来有望在可穿戴设备、软体机器人、智能假肢、增强现实等领域找到广泛应用。
Fig. 1. Bioinspired soft electroreceptor.
Fig. 2. The characteristics of the electroreceptor for precontact sensing.
Fig. 3. Noncontact HMIs based on the electroreceptor.
Fig. 4. Bioinspired electroreceptor matrix for artificial proximal somatosensory system.
总结与未来展望
对更高阶人机交互功能的需求，正在呼唤能够超越直接接触模式的感应系统。作者团队从鲨鱼的电接收策略中获得灵感，制造出一种可拉伸、透明的人工电感受器，通过检测目标自然携带的电荷来感知其接近。这种电感受器能将环境预接触信息编码为电压脉冲，对包括金属、玻璃、塑料、聚合物和天然材料在内的各种目标都能成功感应。
在此基础上，研究人员开发了无需物理接触的人机界面，展示了感知接近目标、操纵机器人手臂、玩电脑游戏等多种应用。结合机器学习算法，他们还验证了利用电感受器矩阵构建人工近端体感系统，进行三维物体识别的可行性。
与激光、射频和超声波传感器等主流非接触式技术相比，这种电感受器在远距离感应精度上或许存在局限。但有趣的是，在缩短距离后，它的反应会变得更加灵敏。而短距离精度恰恰是激光或超声波传感器的一个短板。这意味着，这种电感受器在特定场景下反而更具竞争力。它的独特优势包括：（i）由于使用了弹性体和水凝胶材料，它天然具备柔软性、可伸展性、透明度和生物相容性；（ii）传感器功耗几乎可以忽略，因为信号电压由自身运动产生；（iii）适用于各种材料，不论其是否为透明、导电或磁性。因此，这种利用软性设备实现电感知的策略，被认为能大大丰富感知的维度。可以设想，超越接触模式范式的人机交互电子装置，未来有望成为主流交互手段——尤其是在COVID-19大流行的背景下，非接触交互的需求更加凸显。
文献引用与链接
Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation, Sci. Adv. 8, eabo5201 (2022), https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abo5201