隨著人工智能和人機交互技術的快速發(fā)展，觸覺傳感技術作為將機械刺激轉化為可讀信號的關鍵工具，受到了廣泛關注。然而，當前主流的觸覺傳感技術多基于摩擦電效應，雖具有自供電、高靈敏度等優(yōu)點，卻極易受環(huán)境濕度、灰塵等干擾，導致在復雜實際應用中可靠性和耐久性大幅下降。此外，現(xiàn)有的機械發(fā)光材料雖能通過機械應力發(fā)光，但大多發(fā)射可見光，需搭配昂貴的專用探測器并在黑暗環(huán)境中使用，限制了其實際應用。

近日，河北大學索浩副教授和香港城市大學王鋒教授、Zhang Xin博士合作提出了一種新型自供電觸覺傳感平臺，該平臺利用壓電材料實現(xiàn)機械-光電轉換，成功克服了環(huán)境干擾問題。研究團隊開發(fā)出一類新型ScBO?:Cr3?晶體，能在單一機械壓力下通過自恢復機械發(fā)光產生強寬帶近紅外光。通過組合摻雜策略，實現(xiàn)了在寬波長范圍內對發(fā)光譜的精確調控，并利用普通硅光電二極管實現(xiàn)高效光電轉換，最終構建出響應快、閾值低的觸覺筆，在復雜光照和濕度環(huán)境下仍能借助機器學習算法準確進行簽名認證。相關論文以“A Self-Powered Tactile Sensor Resistant to Environmental Interference”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

圖1比較了三種觸覺傳感系統(tǒng)的工作原理與性能差異。傳統(tǒng)的摩擦電觸覺傳感器在高濕環(huán)境中性能顯著下降，水分滲入會導致電荷中和與耗散；可見光機械發(fā)光傳感系統(tǒng)雖能實現(xiàn)光學成像與電子傳感，但依賴昂貴的可見光探測器且需在暗環(huán)境中操作以避免環(huán)境光干擾；而本研究提出的系統(tǒng)采用壓電近紅外機械發(fā)光作為轉換介質，搭配低成本硅光電二極管，不僅光電轉換效率高，還具備強大的抗環(huán)境光和濕度干擾能力。

圖1：交互式觸覺傳感系統(tǒng)示意圖。 a) 摩擦電觸覺傳感器在高濕度環(huán)境中通常性能顯著下降。水分滲入摩擦電層會改變導電性并導致電荷中和，而環(huán)境濕氣則會促進電荷耗散。 b) 可見光機械發(fā)光轉換的觸覺傳感系統(tǒng)依賴昂貴的可見光電探測器，且設備結構復雜。這些設備通常需要在黑暗環(huán)境中操作以避免環(huán)境光干擾。 c) 本研究提出的觸覺傳感系統(tǒng)利用壓電近紅外機械發(fā)光作為轉換介質，搭配低成本硅光電二極管。該系統(tǒng)具有高光電轉換效率和強大的抗環(huán)境光與濕度干擾能力。

圖2展示了ScBO?:Cr3?晶體的結構與光致發(fā)光特性。該晶體具有菱面體結構，Sc3?位點可容納多種摻雜離子，X射線衍射與精修結果證實了Cr3?的成功摻雜。高分辨透射電鏡與元素映射顯示晶體結晶度高且鉻元素分布均勻，X射線光電子能譜進一步確認Cr3?為三價態(tài)。拉曼光譜中BO?單元振動峰的紅移表明局部對稱性隨摻雜發(fā)生變化。在466 nm激發(fā)下，樣品發(fā)射出中心波長812 nm、半高寬135 nm的強近紅外寬帶光，源于Cr3?的?T?→?A?躍遷，其微秒級快速衰減特性為高頻機械傳感提供了可能。

圖2：結構與光致發(fā)光表征。 a) ScBO?晶體結構示意圖，突出顯示[ScO?]和[BO?]單元。 b) ScBO?:Cr3?（2%）晶體的X射線衍射圖譜全譜擬合精修結果。 c) 隨機選取的微晶的高分辨透射電鏡圖像、選區(qū)電子衍射圖譜及元素映射。測得的0.28 nm晶面間距可指標化為菱面體ScBO?的{104}晶面。 d) ScBO?:Cr3?（2%）晶體的高分辨率Cr-2p XPS譜圖。576.4 eV和586.4 eV處的峰歸屬于Cr3?的2p?/?和2p?/?雙峰。 e) 未摻雜與Cr3?摻雜ScBO?晶體的拉曼光譜。插圖顯示了Cr3?摻雜引起[BO?]振動的可能機制。E_g峰在Cr3?摻雜后從398.35 cm?1移至403.07 cm?1。 f) ScBO?:Cr3?晶體在303 K和4 K下的光致發(fā)光激發(fā)（λem = 812 nm）與光致發(fā)光（λex = 466 nm）光譜。插圖分別為日光下和365 nm紫外光下塊體樣品的照片。

圖3系統(tǒng)評估了材料的機械發(fā)光性能與機制。ScBO?:Cr3?在摩擦或壓縮負載下均能發(fā)射與光致發(fā)光譜相似的近紅外光，且在超過100次循環(huán)中表現(xiàn)出穩(wěn)定的自恢復發(fā)光特性。隨著負載增加，發(fā)光強度近乎線性增強，且對加載速度敏感，而在應力釋放或靜態(tài)負載下發(fā)光迅速消失。實驗還顯示該材料的發(fā)光行為不受摩擦電序列或環(huán)境濕度影響，排除了斷裂、界面摩擦電或陷阱控制等機制的可能性。壓電力顯微鏡檢測到典型的壓電蝴蝶環(huán)，第一性原理計算表明Cr3?摻雜引入了3d中間能級，改變能帶結構，證實局域壓電場是驅動發(fā)光的主要機制。

圖3：機械發(fā)光性能與機制。 a) ScBO?:Cr3?（2%）在PDMS或ER聚合物中于摩擦或壓縮負載下的機械發(fā)光光譜。插圖分別為通過自制旋轉平臺或萬能試驗機施加摩擦或壓縮負載的測量裝置示意圖。 b) ScBO?:Cr3?@PDMS薄膜在16 N、200 r min?1連續(xù)摩擦負載下的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖為通過夜視單目鏡記錄的相應機械發(fā)光圖像。 c) ScBO?:Cr3?@ER pellet在850 N重復壓縮負載下的循環(huán)穩(wěn)定性。插圖為機械發(fā)光圖像及基于灰度值的相對發(fā)光強度空間分布，以及基于有限元分析的模擬應力分布。 d) ScBO?:Cr3?@ER pellet在不同加載速度（4–11 mm min?1）下機械發(fā)光強度隨壓縮負載（0–850 N）的變化。 e) 在一個壓縮-釋放周期（0–850 N）中機械發(fā)光對加載速度的實時響應。 f) ScBO?:Cr3?@PDMS和Lu?Al?O??:Ce3?@PDMS薄膜在摩擦作用下機械發(fā)光強度隨環(huán)境濕度的變化。 g) ScBO?:Cr3?在±6 V針尖偏壓下的壓電力顯微鏡振幅圖。典型的振幅蝴蝶環(huán)揭示了壓電效應。 h) ScBO?:Cr3?的計算電子能帶結構與部分態(tài)密度。Cr3?的引入修改了局部電子結構，在帶隙中間形成了3d電子能級。

圖4重點介紹了通過組合摻雜策略對近紅外機械發(fā)光譜進行精確調諧的過程。通過共摻雜Yb3?，實現(xiàn)了從Cr3?到Yb3?的能量轉移，將發(fā)光峰紅移至980 nm，與硅光電二極管響應峰值匹配；進一步摻雜Ga3?引起晶格畸變，使發(fā)光強度提升三倍。單次沖擊下的時間域發(fā)光衰減曲線顯示，Yb3?共摻雜使Cr3?的?T?能級壽命從265 μs縮短至178 μs，能量轉移效率最高可達46%，顯著優(yōu)化了近紅外發(fā)光的性能。

圖4：寬帶近紅外機械發(fā)光的調諧。 a) ScBO?:Cr3?（2%）、ScBO?:Cr3?/Yb3?（2/0.8%）和ScBO?:Cr3?/Yb3?/Ga3?（2/0.8/7%）晶體在摩擦負載下的機械發(fā)光光譜，以及基本硅光電二極管的光譜響應（紅色虛線）。 b) Ga3?誘導機械發(fā)光增強的機制示意圖。Sc3?被較小的Ga3?部分取代后，八面體體積（12.838 → 12.517 ?3）和平均Cr3?–Yb3?距離（4.767 → 4.745 ?）減小，而畸變指數Ddis從0.0258增至0.0278。 c) 這些晶體的積分機械發(fā)光強度（600–1100 nm），其中CaZnOS:Yb3?（2%）在相同條件下作為參考。插圖為機械沖擊下機械發(fā)光復合薄膜的圖像。 d) 基本硅光電二極管與這些機械發(fā)光晶體之間的計算匹配度值。 e) 單次機械發(fā)光衰減測量的實驗裝置示意圖。 f) 記錄機械發(fā)光衰減曲線的測量協(xié)議。 g) 在1.9 mJ沖擊能量下，ScBO?:Cr3?和ScBO?:Cr3?/Ga3?中Cr3?的?T?→?A?躍遷在有/無Yb3?摻雜時的機械發(fā)光衰減曲線。

圖5展示了基于近紅外機械發(fā)光的交互觸覺筆的實際應用。該設備集成機械發(fā)光薄膜、硅光電二極管與電子控制模塊，能在受力時瞬時發(fā)射近紅外光，并轉換為電信號輸出。在玻璃平面上，該觸覺筆的最低壓力閾值約為600 kPa，力靈敏度達7.8 mV/MPa，且在多種接觸平面及光照、濕度干擾下均保持穩(wěn)定輸出。通過與卷積神經網絡結合，該設備實現(xiàn)了對用戶手寫漢字的高精度識別，即使在復雜環(huán)境下，對4個或12個字符的分類準確率仍超過99%，展現(xiàn)出在現(xiàn)實人機交互與人工智能應用中的巨大潛力。

圖5：近紅外機械發(fā)光驅動的抗干擾觸覺筆。 a) 由寬帶近紅外機械發(fā)光驅動的觸覺筆示意圖。 b) 使用ScBO?:Cr3?/Yb3?/Ga3?、ZnSYb3?作為機械發(fā)光層的觸覺傳感系統(tǒng)中施加壓力與輸出電壓之間的線性關系。 c) 兩位不同用戶書寫四個漢字時的實時電壓輸出。插圖為通過夜視單目鏡在長曝光模式下捕獲的機械發(fā)光圖像及相應的應力分布強度映射。 d) 識別兩位用戶書寫四個字符的對應混淆矩陣。

綜上所述，本研究開發(fā)出一類具有自恢復近紅外機械發(fā)光特性的ScBO?晶體，通過精準摻雜調控發(fā)光譜，成功將其與低成本硅光電二極管集成，構建出抗干擾、自供電的觸覺傳感系統(tǒng)。結合人工智能算法，該系統(tǒng)在簽名認證等應用中表現(xiàn)出快速響應、低閾值和高識別精度等優(yōu)勢，為未來智能交互傳感設備的發(fā)展提供了新思路。