三电极自解耦双模传感器，具备同步的高保真空间定位功能与宽范围压力检测能力，适用于智能抓取应用

《Journal of Colloid and Interface Science》：Triple-electrode self-decoupled bimodal sensor with synchronized high-fidelity spatial localization and wide-range pressure for intelligent grasping

柔性传感器通过三电极堆叠结构实现位置与压力同步检测，石墨烯氧化物修饰提升压电层性能，检测范围2.663-445kPa，线性度R2>0.99，响应时间111ms，适用于智能抓握和人机交互场景

　　这项研究提出了一种新型的柔性传感器结构，该结构能够同时识别外部刺激的位置和强度，对于智能抓取和人机交互具有重要意义。在实际应用中，实现多模式解耦传感仍然面临诸多挑战，主要在于传感器结构设计中信号解耦与功能集成之间的固有权衡，以及实现广泛压力检测范围的难度。为了解决这些问题，研究团队设计了一种简单且高效的三电极叠层集成结构，这种结构能够有效抑制传感通道之间的信号串扰，从而提升传感器的整体性能。

传感器的核心在于其独特的结构设计，它通过引入高导电性的连续传感层，实现了出色的线性响应，其线性度达到了0.99以上。同时，该结构还具备连续的空间定位能力，使得传感器在检测压力的同时，也能准确识别刺激发生的区域。此外，研究团队在压电层中引入了氧化石墨烯（GO）修饰，显著增强了其压力传感性能，使检测范围扩大至2.663 kPa至445 kPa之间。这一范围的扩展对于实际应用至关重要，尤其是在需要对不同压力级别做出反应的场景中。同时，GO的加入也提高了传感器的线性度，达到了0.919，并且响应时间仅为111毫秒，这使得传感器在实时应用中表现优异。

在实际应用中，这种传感器能够同步感知抓取力和接触位置，确保抓取的稳定性。尤其是在低光或完全黑暗的条件下，这种能力显得尤为突出，因为它能够在没有视觉辅助的情况下，通过触觉信号完成复杂的交互任务。这一特性为机器人在复杂环境中执行精细操作提供了强有力的支持，特别是在处理易碎物品时，能够避免因过度接触而导致的损坏。

柔性触觉传感器在多个领域都得到了广泛关注，包括机器人末端执行器抓取、健康监测、可穿戴电子设备以及人机交互等。为了实现触觉感知，研究人员探索了多种机制，如电阻式、电容式、摩擦电式和压电式传感。相比之下，压电传感器因其高灵敏度、快速响应时间和在动态或高频负载条件下的可靠性能而备受青睐。这些优势使其特别适用于实时压力检测和人机交互等应用场景。

在众多压电材料中，聚偏二氟乙烯（PVDF）因其良好的柔韧性、化学稳定性和成本效益而受到高度重视。研究人员将PVDF基压电传感器集成到织物手套中，实现了多种手部动作的检测，从而支持人机交互。此外，基于PVDF的混合刚柔结构传感器也被提出，通过采用截断金字塔结构和软基底设计，显著提高了力传输效率，克服了传统传感器在灵敏度方面的限制。然而，纯PVDF的压电系数较低，这在一定程度上限制了其在压力检测方面的分辨率。因此，材料改性成为提升压电传感器输出性能的重要研究方向，特别是通过提高PVDF的β相结晶度来优化其压电性能。研究发现，在PVDF基体中加入少量的GO可以显著增强分子偶极子的对齐，从而提高电压输出和整体灵敏度。

尽管压力传感技术已经取得了显著进展，并达到了较高的成熟度，但目前许多传感器只能输出单一信号，这在一定程度上限制了其在实际应用中的广度。在灵巧机器人抓取应用中，物体在操作过程中常常会发生滑动，这主要是由于抓取力不足或接触点对齐不当造成的。然而，过大的接触力也可能导致物体损坏或变形，尤其是在处理易碎物体时，这一问题尤为突出。这些物体对机械应力非常敏感，需要精确控制抓取力和接触位置，以避免破裂。因此，实现智能抓取不仅需要连续的压力和定位传感，还需要实时调整施加的力，并具备适应性抓取能力。具体来说，这要求传感器具备广泛的检测范围、良好的线性度和快速的响应时间。在复杂的工作环境下，将具有优越压力感知能力的柔性触觉传感器集成到机器人夹具中，以实现对非结构化物体的稳定抓取，特别是对易碎和易损物品的处理，已成为亟需解决的重要挑战。

目前，许多现有的多参数传感器在结构复杂性、电极数量以及特定区域信号丢失等方面仍然存在困难。为了解决这些问题，研究者们提出了多种创新的传感器设计。例如，Mo等人开发了一种可拉伸的光电传感皮肤，该皮肤能够赋予粒子阻塞软夹具大面积的触觉感知能力，从而通过传感器阵列检测抓取位置和压力。Cao等人则提出了一种创新的多层传感器设计，仅使用四个电极即可实现对刺激位置和压力强度的高效且低功耗识别，检测范围可达210 kPa。这种设计不仅减少了传统用户识别方法（如指纹和面部识别）的复杂性，还降低了计算终端的数据存储需求。Liao等人开发了一种基于纸张的不对称电阻结构，能够同时识别触摸轨迹和感知压力，并探索了其在加密矩阵交互场景（如声光报警和智能车辆控制）中的潜在应用。此外，Lin等人设计了一种仿生梯度微结构，并结合自适应反馈机制，使触觉数据手套在VR/AR应用中显著提升了交互体验。

然而，在机器人抓取应用中，除了传感精度外，应力检测范围同样至关重要。尽管已有许多创新的传感器设计，但在实现多功能传感架构方面仍面临诸多挑战，特别是在同时实现宽范围测量和空间抓取识别能力方面。为此，研究团队提出了一种三电极、单体式的传感器结构，该结构能够协同检测双模式信号。传感器由两个主要模块组成：定位模块和压力检测模块，形成了垂直分层的架构，使信号分离和独立传输成为可能，从而有效避免了信号干扰。这种结构不仅简化了信号采集过程，还降低了后续信号处理的负担。当刺激作用于定位单元时，高电阻敏感层与低电阻中间电极之间会形成接触路径，由于不同刺激位置对应的空间电流路径存在差异，所得到的环路电阻呈现出特定的响应特性，从而实现了对按压点的精确空间识别。

为了进一步验证该传感器的性能，研究团队对其结构和传感原理进行了详细分析。该传感器仅采用三个电极，通过上下模块的叠层结构实现了两种信号的双通道输出，且互不干扰。这种结构避免了后期进行信号解耦的需要，简化了整个传感过程。定位模块采用了成本效益较高的碳纳米管（CNTs）作为主要的导电骨架，并适量加入了银纳米线（AgNWs）以优化性能和经济平衡。通过这种设计，传感器能够在保持高灵敏度的同时，降低制造成本，提高实用性。

在传感器的表征和形态学分析方面，研究团队利用光学轮廓术对传感器功能层的横截面形态和表面形貌进行了定量分析，相关微观结构特征如图2(a)和图2(b)所示，这些特征对于机械电转换至关重要。同时，图2(c)展示了碳和银的元素分布，表明AgNWs和CNTs在PET基底上均匀分散，为传感器的稳定性和灵敏度提供了基础。这种均匀的分布不仅有助于提高传感器的导电性能，还增强了其在复杂环境下的适应能力。

在实际应用中，该传感器能够同步感知抓取力和接触位置，确保抓取的稳定性。特别是在低光或完全黑暗的条件下，这种能力显得尤为重要，因为它能够在没有视觉辅助的情况下，通过触觉信号完成复杂的交互任务。这一特性为机器人在复杂环境中执行精细操作提供了强有力的支持，特别是在处理易碎物品时，能够避免因过度接触而导致的损坏。此外，该传感器还具备良好的适应性，能够在不同场景下进行灵活调整，从而满足多样化的应用需求。

在结论部分，研究团队指出，他们设计了一种能够协同感知定位和压力的集成传感器，无需进行信号解耦。从结构上来看，定位层和压力层的垂直堆叠配置使得多模式信号能够有效分离并独立传输，从而显著减少了信号干扰。这种架构克服了传统结构设计中在简单性和多信号识别精度之间的权衡问题，同时提升了传感器的整体性能。研究结果表明，该传感器在检测范围、线性度和响应时间等方面均表现出色，为智能抓取和人机交互提供了新的解决方案。

此外，研究团队还明确了各作者在项目中的贡献。JiuFei Luo负责审阅与编辑、监督、资源协调和项目管理；YuXin Li负责撰写初稿、软件开发、调查研究和数据整理；Sheng Lu负责监督、资源协调和方法论设计；ZhiDan Luo负责验证、正式分析和概念设计；XueJun Ma负责验证、软件开发和正式分析；Ying Ma负责可视化、资源协调和数据整理；He Wang负责资源协调、方法论设计和正式分析；Ping-An Yang负责审阅与编辑、资源协调、调查研究和资金支持。这些贡献体现了团队在不同研究阶段和任务中的紧密合作，为项目的成功实施提供了保障。

在研究过程中，参考了大量相关文献，包括未在文中引用的部分，如[3]、[4]、[7]、[9]、[10]、[16]、[21]、[24]、[25]、[31]、[34]、[36]、[37]等。这些文献为本研究提供了重要的理论基础和技术支持，帮助团队在设计和优化传感器性能方面取得了突破。通过综合这些研究成果，研究团队成功开发出一种新型的柔性传感器，能够在保持结构简单的同时，实现高精度的多模式信号检测。

最后，研究团队声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性财务利益或个人关系，这表明研究的客观性和公正性。同时，该研究得到了多个项目的资助，包括“重庆市新青年创新人才计划”（项目编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0086）、“重庆市市级技术创新与应用发展专项项目”（项目编号：CSTB2023TIADSTX0038）、“重庆市自然科学基金”（项目编号：CSTB2025NSCO-LZX0157）以及“重庆市教育委员会科技研究计划”（项目编号：KJZD-K202300606）。这些资助不仅为研究提供了必要的资源支持，也体现了学术界对本研究重要性的认可。

综上所述，这项研究提出了一种创新的柔性传感器结构，能够在不进行信号解耦的情况下，同步检测定位和压力信息。这种结构不仅提升了传感器的性能，还为实际应用提供了新的可能性。未来，随着材料科学和传感技术的不断发展，这种传感器有望在更多领域得到应用，推动智能机器人和人机交互技术的进步。