我国研究人员开发出用于社交机器人和助听器的新型摩擦电传感器

来自中国重庆大学的研究人员最近开发了一种自供电摩擦电传感器(TAS)，可用于在智能机器人应用中构建外部助听器的电子听觉系统。他们最近发表在Science Robotics上的研究可以为创造新一代听觉系统提供信息，解决社会机器人领域的一些关键挑战。

听觉系统是人类和机器人之间最直接，最有效的交流方式。理想情况下，机器人听觉系统应该允许机器人听取人类指令，同时也能感知他们的声音语调，以便做出相应的反应。

因此，社交机器人的关键目标之一是设计在宽频率范围内功能强大且灵敏的听觉传感器。这些应用也可能使全球10%的听力受损人群受益。

“通常，听力受损的人总会失去一个或几个特定的频率区域，”进行这项研究的研究人员告诉Tech Xplore。“外部助听器的目的是将特定受损声音区域扩大到这些人的听觉水平。因此，使用具有频率选择性的听觉传感器作为用于恢复听力受损的助听器装置将增强人机器人的社交互动。”

机器人技术领域的另一个挑战与功率和能量有关。为了成功设计具有宽带频率响应和频率选择性的听觉传感器，研究人员应该使用传统的声学传感器和精确的信号处理电路，从而提高功耗并缩短工作周期。

“建立自供电声学传感器的传统方法是基于压电效应和梯形装置结构，”研究人员解释说。“然而，与人声的频率范围相比，压电传感器具有相当低的输出信号和相对高的频率响应区域。此外，多信号通道，复杂的制造工艺和压电材料大大提高了它们的成本。”

为了解决这些问题，研究人员设计了一种基于摩擦纳米发电机技术的易于制造的圆形，单通道和自供电听觉传感器(TAS)。纳米发电机是一种将机械能和热能转化为电能的技术。

有三种主要类型的纳米发电机：压电，摩擦电和热电。压电和摩擦发电机都会产生机械能来产生电能，但前者通过纳米结构的压电材料来做到这一点，摩擦电发电机通过摩擦起电和静电感应效应的结合来实现。

“我们的TAS设备的亮点是自供电传感和可定制的光谱特性，”研究人员解释说。“TAS的振动膜覆盖有导电层，底部导电层覆盖有摩擦材料层。在声波下，膜振动导致膜与摩擦材料接触，产生电荷分布。由于静电感应效应，振动会通过两个导电层产生信号输出。对于每个固定膜，都会有一个特定的振动特性。由于TAS的简单结构，我们可以设计膜的边界条件，以实现可定制的光谱我们需要。”

经过测试，研究人员开发的传感器在人类语音范围内产生了高输出信号，板带频率响应和频率选择性。它们的传感器也相对容易构建，并在单通道设备中提供可定制的频谱。

“高输出信号和单通道可能会大大减少信号处理，从而降低功耗，”研究人员说。“所使用的材料及其易于制造提高了设计透明听觉系统和广泛的其他设备的可行性。我们认为这种技术可以为机器人和助听器应用提供经济高效的节能听觉系统。”

这个研究团队的工作突出了摩擦电纳米发电机技术的巨大潜力，以应对社会机器人领域的挑战，并建立更有效的助听器。他们现在正在计划开发用于各种人机交互的新传感器，同时将他们最近开发的技术推向工业化。