一種用于社交機器人和助聽器的新型摩擦電傳感器

來自中國重慶大學的研究人員最近開發(fā)了一種自供電摩擦電傳感器(TAS)，可用于在智能機器人應用中構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，解決社會機器人領域的一些關鍵挑戰(zhàn)。

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

因此，社交機器人的關鍵目標之一是設計在寬頻率范圍內(nèi)功能強大且靈敏的聽覺傳感器。這些應用也可能使全球10%的聽力受損人群受益。

“通常，聽力受損的人總會失去一個或幾個特定的??頻率區(qū)域，”進行這項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聽力受損的助聽器裝置將增強人機器人的社交互動。”

機器人技術領域的另一個挑戰(zhàn)與功率和能量有關。為了成功設計具有寬帶頻率響應和頻率選擇性的聽覺傳感器，研究人員應該使用傳統(tǒng)的聲學傳感器和精確的信號處理電路，從而提高功耗并縮短工作周期。

“建立自供電聲學傳感器的傳統(tǒng)方法是基于壓電效應和梯形裝置結構，”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?shù)偷妮敵鲂盘柡拖鄬Ω叩念l率響應區(qū)域。此外，多信號通道，復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，研究人員設計了一種基于摩擦納米發(fā)電機技術的易于制造的圓形，單通道和自供電聽覺傳感器(TAS)。納米發(fā)電機是一種將機械能和熱能轉化為電能的技術。

有三種主要類型的納米發(fā)電機：壓電，摩擦電和熱電。壓電和摩擦發(fā)電機都會產(chǎn)生機械能來產(chǎn)生電能，但前者通過納米結構的壓電材料來做到這一點，摩擦電發(fā)電機通過摩擦起電和靜電感應效應的結合來實現(xiàn)。

“我們的TAS設備的亮點是自供電傳感和可定制的光譜特性，”研究人員解釋說。“TAS的振動膜覆蓋有導電層，底部導電層覆蓋有摩擦材料層。在聲波下，膜振動導致膜與摩擦材料接觸，產(chǎn)生電荷分布。由于靜電感應效應，振動會通過兩個導電層產(chǎn)生信號輸出。對于每個固定膜，都會有一個特定的振動特性。由于TAS的簡單結構，我們可以設計膜的邊界條件，以實現(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，板帶頻率響應和頻率選擇性。它們的傳感器也相對容易構建，并在單通道設備中提供可定制的頻譜。

“高輸出信號和單通道可能會大大減少信號處理，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計透明聽覺系統(tǒng)和廣泛的其他設備的可行性。我們認為這種技術可以為機器人和助聽器應用提供經(jīng)濟高效的節(jié)能聽覺系統(tǒng)。”

這個研究團隊的工作突出了摩擦電納米發(fā)電機技術的巨大潛力，以應對社會機器人領域的挑戰(zhàn)，并建立更有效的助聽器。他們現(xiàn)在正在計劃開發(fā)用于各種人機交互的新傳感器，同時將他們最近開發(fā)的技術推向工業(yè)化。