近日，韓國漢陽大學王偉教授團隊提出一類基于接觸起電和靜電感應原理的自供能柔性傳感器陣列。這一成果不僅解決了傳統傳感器系統復雜性高、成本昂貴的問題，更在柔性電子領域開創了一種全新的陣列式傳感器設計模式。

圖 | 王偉（來源：王偉）

在傳統設計中，傳感器的信號通道數量與觸控點數量呈線性關系，這意味著，觸控點的增加會導致信號通道數量及系統復雜度的顯著提升。而本次傳感器陣列采用一種簡化信號通道的創新架構。

該團隊通過提出一種全新的方法，通過引入相互獨立的靜電感應單元，使得信號通道的數量僅是觸控點數量的一半，甚至僅需單個信號通道。這一規律的發現不僅減少了硬件成本，還顯著提升了系統的擴展性，為多點觸控和復雜交互系統提供了強有力的技術支持。

此外，他們在材料選擇和結構設計上也取得了重要進展。通過使用天然原材料制備傳感器陣列，展示了一種低成本、高效的制造方式，同時兼顧了環境友好性。這種基于接觸起電和靜電感應的設計使得傳感器無需外部供電即可正常工作，實現了“自供能”目標。這一特性使傳感器在電源有限的場景中（如可穿戴設備和遠程操作機器人）表現出極大的應用潛力。

更為重要的是，這項研究還揭示了一種新型信號傳輸和識別的規律。通過對傳感器信號的精準采集與解碼，他們成功地將觸控信息轉化為數字信號，以實現復雜的交互操作。

研究顯示，這種設計在電子皮膚、游戲控制器和智能機器人領域具有極強的適用性。例如，他們展示了傳感器在控制手機撥號、計算器輸入、機械臂操作以及電子鋼琴等應用中的卓越性能。這些功能的實現表明，該傳感器具備極高的靈敏度、穩定性和多功能性。

總之，這項研究不僅提供了一種全新的柔性傳感器設計方案，還在原理層面和技術層面上為人機交互系統的進一步發展奠定了基礎。這一成果不僅有助于拓寬柔性電子的研究方向，也為智能設備的大規模應用提供了新的可能性。

未來，以下領域可能會從中受益：

1. 人機交互設備的提升與創新

通過利用簡化信號通道的多信號輸出機制，傳感器陣列可以顯著優化游戲操縱桿、電子皮膚、機器人控制器等設備的響應信號通道數量。尤其是在電子皮膚領域，該技術為智能手套、虛擬現實觸覺設備提供了更為簡單的設計方法。

2. 綠色低成本智能設備的開發

傳感器采用原材料如天然橡膠和未經處理的樹葉為核心組件，不僅顯著降低了生產成本，還對環保制造提供了新思路。例如，研究中展示的樹葉制成的電子鋼琴按鍵，展示了可再生資源在智能設備中的潛力。結合該技術，未來有望涌現一批綠色、低能耗且功能強大的消費級智能硬件。

3. 自動化系統與機器人技術的優化

傳感器在機器人控制器中的應用展示了強大的信號解讀能力，為復雜機械系統的自動化帶來了新的可能性。未來，該成果可為柔性機器人和工業自動化生產線的傳感器系統提供可靠支持，促進其精度和可靠性的進一步提升。

4. 智能教育與娛樂設備的拓展

在游戲角色控制和機械臂控制所展現的應用場景，傳感器陣列在智能教育和娛樂設備中也大有可為，為創造交互性更強的產品提供了技術支持。未來數年內，這些應用可能會走入課堂和家庭，為教育和休閑娛樂帶來更多創意可能。

那么，這一研究具體是如何完成的？

最初，他們從人機交互技術的發展中發現了一些瓶頸，尤其是在傳感器陣列復雜度和高效性之間的權衡上。他們意識到，現有技術中復雜的布線設計和昂貴的材料成本限制了其更廣泛的應用。因此，該團隊定下設計一種自供能、低成本的傳感器陣列的目標，并希望能同時簡化信號通道，提升人機交互的響應能力。

基于接觸起電和靜電感應原理，他們提出了兩種傳感器陣列設計方法。這一階段的重點是尋找合適的材料來實現傳感器的性能和成本的平衡。后來，他們決定結合天然橡膠和聚氯乙烯兩種低成本材料，并進一步探索未經處理的樹葉作為傳感器組件的可能性。這個決定不僅體現了他們對環保和可持續性的關注，也為后續研究帶來了不少意外驚喜。

在制備過程中，他們不斷優化傳感器陣列的結構，以便實現更高的靈敏度和多樣化的信號輸出。這一階段涉及大量的實驗調整，例如優化電極排布等實驗。在功能驗證方面，他們將傳感器陣列應用于多種場景，包括游戲操控桿、電子皮膚、機器人控制器，以及基于樹葉的電子鋼琴按鍵。

事實上，使用未經處理的樹葉作為傳感器的材料。這是一個看似不太可能成功的實驗，但他們想通過這次嘗試來驗證傳感器設計的普適性。起初，他們很擔心用未經處理的樹葉能否實現穩定的信號輸出。然而，實驗結果卻令人驚喜——傳感器不僅能夠正常工作，還生成了清晰并且可識別的信號。這一發現充分驗證了傳感器設計的多樣化潛力。

（來源：Advanced Functional Materials）

在證明傳感器陣列的可行性之后，他們進一步研究其在實際應用中的表現。例如，用傳感器操控游戲角色和機械臂動作等。為了讓實驗更具說服力，課題組不斷調試交互系統，確保信號輸出的穩定性和應用的多樣性。

日前，相關論文以《自供電、基于原材料的傳感器陣列，用于人機交互的信號通道最小化》（Self-Powered, Raw Material-Based Sensor Arrays with Minimized Signal Channels for Human-Machine Interaction）為題發在Advanced Functional Materials[1]，韓國漢陽大學博士生阿世偉和博士后研究員王森是共同一作，王偉擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Functional Materials）

未來，他們計劃從多個維度進一步深化本次研究的影響力和應用價值。

首先，他們計劃優化傳感器的設計和性能，以便適應更廣泛的應用場景。例如，通過引入更多類型的低成本原材料或功能性填料，進一步提升傳感器的靈敏度和穩定性，同時擴展其適用環境比如高濕度、高溫度或復雜機械擾動條件下的可靠性。

其次，在信號處理方面，他們希望進一步開發更智能化的數據采集和處理系統，結合機器學習算法優化傳感器的信號解析能力。這樣的改進將使傳感器更好地適應復雜的人機交互場景，例如動態監測復雜手勢、語音手勢融合交互等。

再次，他們將探索傳感器在生物醫學和柔性機器人領域的應用潛力。例如，利用其低成本和柔性特點，可以將其集成到可穿戴醫療設備中，實現對患者動作和健康狀態的實時監控；或者在柔性機器人中，通過傳感器陣列的精確反饋提升機器人的觸覺等感官的能力。

參考資料：

1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416163

審核編輯 黃宇