摘要：在机器人、虚拟现实和医疗保健领域，触觉传感器的需求日益增长，大家都渴望拥有高性能且可定制的触觉传感器。虽然视觉技术不断进步，但触觉感知对于精准交互和细微压力检测依然至关重要。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

在机器人、虚拟现实和医疗保健领域，触觉传感器的需求日益增长，大家都渴望拥有高性能且可定制的触觉传感器。虽然视觉技术不断进步，但触觉感知对于精准交互和细微压力检测依然至关重要。

今天，我们就一起来了解一项通过热成型技术将2D薄膜变成3D电子触觉传感器，它能实现高性能和可定制化的触觉感知哦！

二、传统触觉传感器的局限

以前的触觉传感器，像基于软弹性体的传感器，虽然能通过微结构设计和成型工艺实现一定的定制化，但存在很大问题呢。软弹性体比如 Ecoflex 和 PDMS，具有粘弹性行为，会导致传感器信号漂移大、滞后高、响应慢。还有那种通过 2D 刚性薄膜 3D 结构化的方法，虽然精度高、可靠性强，但 elastomer 持续受力会影响性能，而且软硬材料 adhesion 差，杨氏模量调节范围有限。所以啊，同时实现宽模量可调性和高传感性能，一直是个大挑战！

三、T3DE 触觉传感器的设计与优势

T3DE（热成型 3D 电子器件）触觉传感器，它由平面顶面和支撑腿组成，通过对图案化的 2D 电子器件进行热成型制作而成。在机械方面，它有超棒的机械特性，滞后几乎可以忽略不计，抗蠕变性也很高，而且杨氏模量可调范围超宽，从约 10 帕到约 1 兆帕呢。

在电学方面，采用了带电气屏蔽的电容式传感机制，具有低功耗、低滞后、高重复性、温度不敏感和快速响应等优点。基于这些特性，它能定制化检测从声波到体重等广泛的目标压力水平，灵敏度高达 5884 每千帕，线性度高（R²=0.999），滞后低（

四、T3DE 的制作流程与性能分析

T3DE 触觉传感器的制作流程很精妙哦。首先是对电极和热塑性薄膜进行精确图案化，这是基础步骤。然后进行热成型工艺，这一步很关键，不仅能把 2D 电子器件变成可弹性变形的 3D 结构，还能通过调整支撑腿的设计来定制传感器的机械性能。制作好的传感器最小能做到 2 毫米大小，还能弯曲成小曲率半径。

通过有限元法（FEM）建立数值模拟模型，分析 T3DE 的机械压力响应，还利用标准梁弯曲模型创建分析模型，结果发现理论、模拟和实验结果吻合得很好，说明我们的设计和分析方法很靠谱。

五、压力传感性能大比拼

和先进的触觉传感器相比，T3DE 触觉传感器表现超出色！

在加载和卸载过程中，不同 T3DE 的无量纲压力传感性能表现出相似的趋势，说明定制化方法能让压力传感器在各种 T3DE 中实现一致的传感性能，而且滞后小于 0.5%。

灵敏度方面，最低杨氏模量的 30 帕 T3DE 传感器灵敏度高达 5884 kPa⁻¹。在动态条件下，经过不同力和频率的循环电容变化实验，传感器性能稳定，没有漂移或退化。和其他传感器相比，在宽压力范围内灵敏度更高、滞后更低。

此外，它还具有高均匀性，性能变化在 5% 以内，线性度高（R²>0.999），重复性超过 99.9%，抗蠕变性强，恢复速度快，对温度和湿度不敏感，能检测超低压力，动态响应也超快。

六、多样化应用场景展示

T3DE 触觉传感器的应用场景超丰富！在声音传感方面，30 帕的 T3DE 传感器能检测超低压力，和商用声音传感器相比，捕获的声学波形和 spectrograms 相似，在语音识别和语音可视化方面很有潜力，能帮助听力障碍人士。

在医疗保健领域，5 千帕的 T3DE 传感器加上屏蔽设计，能准确检测手腕上的脉搏波，得到三个可区分的峰值，用于计算临床指标，比商用传感器性能更优。

在运动监测方面，1 兆帕的 T3DE 传感器阵列能监测足底压力分布，高分辨率和插值技术让它能检测到运动中的细微压力变化，帮助改善姿势和了解肌肉激活情况。

在增强现实（AR）领域，T3DE 传感器阵列能模拟不同组织的刚度，为手术稳定性训练系统提供视觉和触觉反馈，让手术 trainees 能模拟切除不同硬度的组织或肿瘤。

七、总结与未来展望

这项研究介绍了一种基于 T3DE 的触觉传感器设计和制造方法，它具有高传感性能和可定制性。通过激光图案化和热成型工艺，制作过程更简单、成本更低、可扩展性更强。T3DE 在各种应用中展示了其多功能性和实用价值。

不过，还有一些地方需要进一步改进，比如优化热塑性材料和传感电极，开发高分辨率的图案化和热成型设备，研究 T3DE 在剪切力下的行为等。

八、一起来做做题吧

1、触觉传感器在以下哪个领域的应用未被文档提及？

A. 机器人

B. 智能家居

C. 医疗保健

D. 虚拟现实

2、软弹性体（如 Ecoflex）的主要缺陷是？

A. 杨氏模量不可调

B. 高滞后和蠕变行为

C. 无法检测低压

D. 制造工艺复杂

3、T3DE 的核心结构不包括？

A. 支撑腿

B. 平面顶面

C. 微流体通道

D. 电容式电极

4、热成型工艺的关键参数不包括？

A. 压力 10 MPa

B. 温度 180°C

C. 时间 5 分钟

D. 激光功率调节

5、T3DE 传感器的最高灵敏度为？

A. 5884 kPa⁻¹

B. 1000 kPa⁻¹

C. 0.5%

D. 0.1 ms

6、T3DE 在 AR 中的应用是？

A. 语音识别

B. 手术模拟

C. 足底压力监测

D. 脉搏波检测

7、文档提到 T3DE 的未来改进方向不包括？

A. 优化热塑性材料

B. 开发高分辨率设备

C. 研究剪切力响应

D. 降低电容式传感精度

参考文献：

Jungrak Choi et al. Thermoforming 2D films into 3D electronics for high-performance, customizable tactile sensing. Sci. Adv.11, eadv0057(2025).

来源：知识泥土六二三