河北大学：新型自供电触觉传感器克服环境干扰，实现高精度人机交互

随着人工智能和人机交互技术的快速发展，触觉传感技术作为将机械刺激转化为可读信号的关键工具，受到了广泛关注。然而，当前主流的触觉传感技术多基于摩擦电效应，虽具有自供电、高灵敏度等优点，却极易受环境湿度、灰尘等干扰，导致在复杂实际应用中可靠性和耐久性大幅下降。此外，现有的机械发光材料虽能通过机械应力发光，但大多发射可见光，需搭配昂贵的专用探测器并在黑暗环境中使用，限制了其实际应用。

近日，河北大学索浩副教授和香港城市大学王锋教授、Zhang Xin博士合作提出了一种新型自供电触觉传感平台，该平台利用压电材料实现机械-光电转换，成功克服了环境干扰问题。研究团队开发出一类新型ScBO₃:Cr³⁺晶体，能在单一机械压力下通过自恢复机械发光产生强宽带近红外光。通过组合掺杂策略，实现了在宽波长范围内对发光谱的精确调控，并利用普通硅光电二极管实现高效光电转换，最终构建出响应快、阈值低的触觉笔，在复杂光照和湿度环境下仍能借助机器学习算法准确进行签名认证。相关论文以“A Self-Powered Tactile Sensor Resistant to Environmental Interference”为题，发表在Advanced Materials上。

图1比较了三种触觉传感系统的工作原理与性能差异。传统的摩擦电触觉传感器在高湿环境中性能显著下降，水分渗入会导致电荷中和与耗散；可见光机械发光传感系统虽能实现光学成像与电子传感，但依赖昂贵的可见光探测器且需在暗环境中操作以避免环境光干扰；而本研究提出的系统采用压电近红外机械发光作为转换介质，搭配低成本硅光电二极管，不仅光电转换效率高，还具备强大的抗环境光和湿度干扰能力。

图1：交互式触觉传感系统示意图。 a) 摩擦电触觉传感器在高湿度环境中通常性能显著下降。水分渗入摩擦电层会改变导电性并导致电荷中和，而环境湿气则会促进电荷耗散。 b) 可见光机械发光转换的触觉传感系统依赖昂贵的可见光电探测器，且设备结构复杂。这些设备通常需要在黑暗环境中操作以避免环境光干扰。 c) 本研究提出的触觉传感系统利用压电近红外机械发光作为转换介质，搭配低成本硅光电二极管。该系统具有高光电转换效率和强大的抗环境光与湿度干扰能力。

图2展示了ScBO₃:Cr³⁺晶体的结构与光致发光特性。该晶体具有菱面体结构，Sc³⁺位点可容纳多种掺杂离子，X射线衍射与精修结果证实了Cr³⁺的成功掺杂。高分辨透射电镜与元素映射显示晶体结晶度高且铬元素分布均匀，X射线光电子能谱进一步确认Cr³⁺为三价态。拉曼光谱中BO₃单元振动峰的红移表明局部对称性随掺杂发生变化。在466 nm激发下，样品发射出中心波长812 nm、半高宽135 nm的强近红外宽带光，源于Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂跃迁，其微秒级快速衰减特性为高频机械传感提供了可能。

图2：结构与光致发光表征。 a) ScBO₃晶体结构示意图，突出显示[ScO₆]和[BO₃]单元。 b) ScBO₃:Cr³⁺（2%）晶体的X射线衍射图谱全谱拟合精修结果。 c) 随机选取的微晶的高分辨透射电镜图像、选区电子衍射图谱及元素映射。测得的0.28 nm晶面间距可指标化为菱面体ScBO₃的{104}晶面。 d) ScBO₃:Cr³⁺（2%）晶体的高分辨率Cr-2p XPS谱图。576.4 eV和586.4 eV处的峰归属于Cr³⁺的2p₃/₂和2p₁/₂双峰。 e) 未掺杂与Cr³⁺掺杂ScBO₃晶体的拉曼光谱。插图显示了Cr³⁺掺杂引起[BO₃]振动的可能机制。E_g峰在Cr³⁺掺杂后从398.35 cm⁻¹移至403.07 cm⁻¹。 f) ScBO₃:Cr³⁺晶体在303 K和4 K下的光致发光激发（λem = 812 nm）与光致发光（λex = 466 nm）光谱。插图分别为日光下和365 nm紫外光下块体样品的照片。

图3系统评估了材料的机械发光性能与机制。ScBO₃:Cr³⁺在摩擦或压缩负载下均能发射与光致发光谱相似的近红外光，且在超过100次循环中表现出稳定的自恢复发光特性。随着负载增加，发光强度近乎线性增强，且对加载速度敏感，而在应力释放或静态负载下发光迅速消失。实验还显示该材料的发光行为不受摩擦电序列或环境湿度影响，排除了断裂、界面摩擦电或陷阱控制等机制的可能性。压电力显微镜检测到典型的压电蝴蝶环，第一性原理计算表明Cr³⁺掺杂引入了3d中间能级，改变能带结构，证实局域压电场是驱动发光的主要机制。

图3：机械发光性能与机制。 a) ScBO₃:Cr³⁺（2%）在PDMS或ER聚合物中于摩擦或压缩负载下的机械发光光谱。插图分别为通过自制旋转平台或万能试验机施加摩擦或压缩负载的测量装置示意图。 b) ScBO₃:Cr³⁺@PDMS薄膜在16 N、200 r min⁻¹连续摩擦负载下的循环稳定性。插图为通过夜视单目镜记录的相应机械发光图像。 c) ScBO₃:Cr³⁺@ER pellet在850 N重复压缩负载下的循环稳定性。插图为机械发光图像及基于灰度值的相对发光强度空间分布，以及基于有限元分析的模拟应力分布。 d) ScBO₃:Cr³⁺@ER pellet在不同加载速度（4–11 mm min⁻¹）下机械发光强度随压缩负载（0–850 N）的变化。 e) 在一个压缩-释放周期（0–850 N）中机械发光对加载速度的实时响应。 f) ScBO₃:Cr³⁺@PDMS和Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺@PDMS薄膜在摩擦作用下机械发光强度随环境湿度的变化。 g) ScBO₃:Cr³⁺在±6 V针尖偏压下的压电力显微镜振幅图。典型的振幅蝴蝶环揭示了压电效应。 h) ScBO₃:Cr³⁺的计算电子能带结构与部分态密度。Cr³⁺的引入修改了局部电子结构，在带隙中间形成了3d电子能级。

图4重点介绍了通过组合掺杂策略对近红外机械发光谱进行精确调谐的过程。通过共掺杂Yb³⁺，实现了从Cr³⁺到Yb³⁺的能量转移，将发光峰红移至980 nm，与硅光电二极管响应峰值匹配；进一步掺杂Ga³⁺引起晶格畸变，使发光强度提升三倍。单次冲击下的时间域发光衰减曲线显示，Yb³⁺共掺杂使Cr³⁺的⁴T₂能级寿命从265 μs缩短至178 μs，能量转移效率最高可达46%，显著优化了近红外发光的性能。

图4：宽带近红外机械发光的调谐。 a) ScBO₃:Cr³⁺（2%）、ScBO₃:Cr³⁺/Yb³⁺（2/0.8%）和ScBO₃:Cr³⁺/Yb³⁺/Ga³⁺（2/0.8/7%）晶体在摩擦负载下的机械发光光谱，以及基本硅光电二极管的光谱响应（红色虚线）。 b) Ga³⁺诱导机械发光增强的机制示意图。Sc³⁺被较小的Ga³⁺部分取代后，八面体体积（12.838 → 12.517 ų）和平均Cr³⁺–Yb³⁺距离（4.767 → 4.745 Å）减小，而畸变指数Ddis从0.0258增至0.0278。 c) 这些晶体的积分机械发光强度（600–1100 nm），其中CaZnOS:Yb³⁺（2%）在相同条件下作为参考。插图为机械冲击下机械发光复合薄膜的图像。 d) 基本硅光电二极管与这些机械发光晶体之间的计算匹配度值。 e) 单次机械发光衰减测量的实验装置示意图。 f) 记录机械发光衰减曲线的测量协议。 g) 在1.9 mJ冲击能量下，ScBO₃:Cr³⁺和ScBO₃:Cr³⁺/Ga³⁺中Cr³⁺的⁴T₂→⁴A₂跃迁在有/无Yb³⁺掺杂时的机械发光衰减曲线。

图5展示了基于近红外机械发光的交互触觉笔的实际应用。该设备集成机械发光薄膜、硅光电二极管与电子控制模块，能在受力时瞬时发射近红外光，并转换为电信号输出。在玻璃平面上，该触觉笔的最低压力阈值约为600 kPa，力灵敏度达7.8 mV/MPa，且在多种接触平面及光照、湿度干扰下均保持稳定输出。通过与卷积神经网络结合，该设备实现了对用户手写汉字的高精度识别，即使在复杂环境下，对4个或12个字符的分类准确率仍超过99%，展现出在现实人机交互与人工智能应用中的巨大潜力。

图5：近红外机械发光驱动的抗干扰触觉笔。 a) 由宽带近红外机械发光驱动的触觉笔示意图。 b) 使用ScBO₃:Cr³⁺/Yb³⁺/Ga³⁺、ZnSYb³⁺作为机械发光层的触觉传感系统中施加压力与输出电压之间的线性关系。 c) 两位不同用户书写四个汉字时的实时电压输出。插图为通过夜视单目镜在长曝光模式下捕获的机械发光图像及相应的应力分布强度映射。 d) 识别两位用户书写四个字符的对应混淆矩阵。

综上所述，本研究开发出一类具有自恢复近红外机械发光特性的ScBO₃晶体，通过精准掺杂调控发光谱，成功将其与低成本硅光电二极管集成，构建出抗干扰、自供电的触觉传感系统。结合人工智能算法，该系统在签名认证等应用中表现出快速响应、低阈值和高识别精度等优势，为未来智能交互传感设备的发展提供了新思路。