自供电视觉传感器：触觉与声学的新突破！

【研究背景】

随着物联网（IoT）的快速发展，视觉传感器作为关键技术受到了广泛关注。然而，当前视觉传感器在高感知精度和自供电能力方面仍面临诸多挑战。传统的人工感知系统通常依赖于电气传感器，这些系统不仅电路复杂，还容易受到电磁干扰，从而限制了其在大多数IoT应用中的实用性。因此，开发一种既能实现高性能又具备自供电能力的视觉传感器显得尤为重要。

为此，东北大学秦皇岛分校控制工程学院赵勇教授携手中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林院士以及香港科技大学Yunlong Zi教授合作提出了一种基于摩擦电致发光（TIEL）技术的自供电视觉触觉-声学传感器（SVTAS）。该传感器在水平滑动模式下实现了0.5 mW cm−2（32 cd m−2）的高亮度，并在0.5 kPa的检测限下表现优异。此外，SVTAS还能够在接触-分离模式下将声波转换为TIEL信号，对44.07 Hz声波的响应表现出色，信噪比达8.7 dB−1，响应时间为0.8 ms。这些结果不仅为实现高效的自供电视觉传感系统奠定了基础，还为无线通信提供了一种无电磁干扰的解决方案。

【表征解读】

本文通过多种表征手段深入探讨了自供电视觉触觉-声学传感器（SVTAS）的性能与机制，揭示了其在高灵敏度和高响应速度方面的潜力。首先，使用场发射扫描电子显微镜（SEM）对SVTAS的微观结构进行了观察，确认了不同层次之间的界面特性及其对电荷捕获能力的影响。这一观察结果表明，网状电极增强层和高光致发光ZEPM层的结合极大地提高了发光效率，进而提升了传感器的整体性能。

针对SVTAS在接触-分离（CS）模式下的声学响应现象，本文通过光谱仪对TIEL发射光谱进行测量，得到了实时光发射与机械刺激之间的直接关系。这一微观机理的揭示，使作者了解到摩擦电效应和电致发光效应的协同作用在轻微声波刺激下如何实现高效光发射，从而推动了对声学传感技术的进一步探索。

此外，借助压力传感器对触觉响应的评估，作者得到了SVTAS在水平滑动（HS）模式下的高灵敏度数据，记录到的最低检测限为0.5 kPa，且在300 lux环境照明下仍能保持高亮度的可视性。这一发现强调了SVTAS在多种环境条件下的可靠性，展示了其广泛的应用前景。

在此基础上，通过不同的表征手段，包括光电探测器与示波器的结合，进一步探讨了SVTAS在不同频率声波下的响应特性。作者观察到，在44.07 Hz的声波下，SVTAS表现出最高的响应，且信噪比达到8.7 dB−1，响应时间仅为0.8 ms。这一性能标志着SVTAS在超快速声学感知领域的领先地位，并为未来可穿戴设备的应用奠定了基础。

【图文速递】

图1. SVTAS的结构设计与应用。

图2. 网状电极增强层的几何设计。

图3. SVTAS在水平滑动（HS）工作模式下的触觉-TIEL响应性能。

图4. SVTAS在接触-分离（CS）工作模式下的声学-TIEL响应性能。

图5. SVTAS的语音识别应用。

【科学启迪】

本文的研究成果为自供电视觉感知系统的发展提供了新的思路。通过摩擦电致发光（TIEL）技术，SVTAS传感器实现了高亮度和超低检测限，使其在触觉和声学信号检测中表现出色。这一创新展示了如何有效将轻微的机械刺激转换为实时的光信号，解决了传统传感器在精度和能效方面的瓶颈。此外，SVTAS的可伸缩性为其在可穿戴设备和电子皮肤等新兴领域的应用开辟了广阔前景，表明自供电传感器可以在多种场景中实现高效、稳定的性能。这项研究不仅丰富了自供电视觉传感器的技术路线，也为未来无线通信技术的发展提供了重要参考，特别是在需要避免电磁干扰的应用中。

原文详情：Li Su et al. ,Self-powered visualized tactile-acoustic sensor for accurate artificial perception with high brightness and record-low detection limit.Sci. Adv.10,eadq8989(2024).DOI:10.1126/sciadv.adq8989