仿生传感器的发展趋势和前景

李欣 李奉倩 郭奕良 倪浩宸

摘 要 仿生传感器技术是当今科学技术中较为重要的技术内容，为研究并突破目前仿生传感器的局限性，本文主要探讨了仿生传感器中的触觉传感器、嗅觉传感器、视觉传感器近年来在国内外的发展概况，具体以电子皮肤、电子鼻、电子眼三种传感器应用作为研究中心，研究发现国内近几年在视觉、触觉传感器方面的技术已经日益成熟，从国际上来看，仿生传感器整体还具有很多进步空间。虽然仿生传感器已经初步达到了人机交互的水平，但仿生传感器仍具有精确度低、多维感知难突破等缺点。为解决局限性和不足，我国必须从巩固传感器的理论研究和提升拓展多维感知功能两方面深入研究。这样才能进一步提高仿生传感器的实际应用性，从而推动我们国家的未来仿生传感器技术的进一步向生物化、智能化发展。

关键词 仿生传感器技术 机电一体化 应用现状 发展趋势

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）03-0015-03

传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称。[1]通常被测量是非电物理量，输出信号一般为电物理量。传统传感器的基本感知功能可分为热敏、气敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏、声敏、味敏、色敏和放射线敏感元件十大类。[2]

随着中国现代科技水平的不断提升，智能机械开始可以代替人工，甚至还能检测到人工所察觉不到的信息，可以让人们更好的去认识世界以及感受世界，而在其中起到重要作用的就是仿生传感器技术。仿生传感器，是近年来兴起地使用新的检测原理的新型传感器，也是一门由电子学和生物医学、工程学等多学科相互渗透而发展起来的一种新型产品[3]，通过采用固定化的酶、细胞或其他生物活性物质与换能器相配合组成，是一种基于生物学原理设计的可以感受规定待测物并按照一定规律转换及输出可用信号的器件或装置[4]，由敏感元件和转换元件组成，另外辅之以信号来调整电路或电源等[5]。仿生传感器常分为视觉传感器、嗅觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、力觉传感器和滑觉传感器。

1 国内外发展情况

传感器在行业的使用率已经被人们作为—个衡量行业智能化、信息化、数字化的重要标志。其在市场上越来越广泛的普及也表示在传感器技术和现代的科学技术发展有着越来越密切的联系，也突显出国内科学技术在不断的更新与发展。目前，仿生传感器作为传感器最先进的组成部分之一，在生活中发挥着越来越广泛的作用，特别是在可穿戴电子设备以及在生物医学，人机交互，智能机器人等领域。随着研究方向不断向真实生物靠近，生物最重要的传感器器官：皮肤、眼睛、鼻子，自然成为了前线研究员们制备仿生传感器的灵感源泉。其中，皮肤作为人覆盖最广的传感器官，遍布人的全身，研究发现人的皮肤信息含量丰富，表现出了各种感应功能，具体包括动态感知功能（温度、湿度、外部刺激）和静态感知功能（粗糙度、形状、位置）。眼睛，将人类看到的事物信号传递给大脑，并在大脑内部形成图像信息，是人实现可视化表征的重要器官。鼻子，利用了人类鼻腔内壁上的数千个类似气敏传感器的气体接受细胞，可实现数千种类型气体的识别。随着国内传感器的不断发展，仿生传感器不断集成化、多功能化、材料创新以及与微处理机有机联合应用，逐渐形成了现在仿生传感器领域研究最为火热的触觉传感器、嗅觉传感器、视觉传感器等。

1.1 国内触觉传感器的发展研究情况

1.1.1 国内触觉传感器技术发展研究情况

触觉传感器是一种仿生皮肤丰富感知功能的柔性电子器件和系统，在人体生理参数检测和机器人触觉系统等领域中具有重大的应用前景，“电子皮肤”即为这些领域中最为广泛的应用。“电子皮肤”是在金属与半导体材料的基础上对其柔韧性等加以改化的柔性触觉仿生传感器。

1.1.2 国内触觉传感器产品发展研究情况

据我国重点研究室最新研究报告显示已找到聚二甲基硅氧烷、碳纳米管、石墨烯等新材料用于制备或制成皮肤传感器[6]，使得电子皮肤在性能上更加向人类皮肤的性能所靠近，同时使得电子皮肤的可拉伸性、柔韧性、可穿戴性、生物相容性、自供电性等多功能集成方面都有所进展，赋予了人机交互器件的穿戴舒适感，让传统检测和佩戴设备更加便携化、日常化。

以人类皮肤为基础，任天令教授及其课题团队重点讨论了指尖在不同大小的应力作用下高灵敏响应的特性，根据其微结构的研究提出了具有良好性能的触觉传感器，该传感器可以实现感应随机分布的压力，表现出优异的稳定性和较高的灵敏度，满足了快速响应和低探测极限的市场要求。

复旦大学武培怡教授以及其相关研究团队发表的最新研究表示，已研发出一种离子皮肤传感器，原理是采用一种名为仿生矿物凝水胶新型材料，该材料的使用可使得传感器具有高灵敏度和较好的力学适应性能，能够良好的贴合复杂曲面以及自动匹配动态表面，实现了实时人体运动的追踪，手指触摸的感知，甚至可以察觉小水珠的滴落等功能，為将来电子皮肤材料的研究和实现多功能集成的电子皮肤传感器提供了更多的方向和可能性。

虽然我国触觉传感器领域已较为成熟，但是在新型材料的选择和多功能集成方面上，我国的“电子皮肤”仍还有很大的进步空间。

1.2 国内嗅觉传感器的发展研究情况

1.2.1 国内嗅觉传感器技术发展研究情况

嗅觉传感器国内目前大多研究的趋势是利用具有可进行交叉式反应的气敏元件组成一定规模的气敏传感器阵列来对不同的气体进行信息提取，然后将这些数据信息传送给计算机或者提前设定好的判断系统进行模式判别处理。

近年兴起的电子鼻即为这类交叉式反应的气敏元件的创新代表，是生物嗅觉原理、电子技术以及现代传感器技术等学科交叉融合形成的新型仿生检测仪器。电子鼻工作原理是利用气敏传感器阵列对待测样品散发出的气味进行识别和反应，再利用传感器原理将化学信号转化为电信号，经过放大信号、降噪调理等预处理之后，统计并强化待测样品对应的综合信息，在从这些信息中提取需要的特征传输给设定好的模式识别算法，最终实现了样品定性或定量的辨识。

1.2.2 国内嗅觉传感器产品发展研究情况

据了解合肥智能机械所已研究出了电子鼻探测器，利用多组气体传感器阵列实现了有毒气体、有毒化学物品的快速检测，该传感器可以连续监测特定场所在几小时、几天甚至数月之内的气味状况，并进行实时汇报。

如果电子鼻技术的成熟，该技术可以运用于食品鉴评等方面。由于人对气味的辨别力有限，通过理化指标对事物进行检测可能会损伤食物的成熟完好程度，而仿生电子鼻即可对食品进行无损检测，现在仿生电子鼻已开始运用于梨，香蕉，苹果等果蔬成熟度的检测以及肉制品、奶酪等方面的检测，虽然人们对嗅觉的敏感机理建立了很多的数学模型，但是具体的细节仍处于摸索中，电子鼻在食品感官鉴评方面已经有了很多研究，但国内实际投入市场运行的产品还是较少。

1.3 国内视觉传感器的发展研究情况

1.3.1 国内视觉传感器技术发展的研究情况

视觉传感器目前是国内在仿生传感器中应用最为普遍的传感器之一，其主要工作原理是在系统完成捕捉锁定目标之后，视觉传感器将其内存中保存的基准图形或人像进行比较分析。主要检测被敏感对象的明暗度、运动方向、形状特征等，是一种利用光学元件和成像装置获取外部环境图像信息的仪器，通常用图像分辨率来描述视觉传感器的性能。

1.3.2 国内视觉传感器产品发展研究情况

由于视觉传感器的通用、易用的特性吸引了众多机械设计师和工艺设计师，产出了颇多种类的多功能集成性产品，其中已经实现广泛应当为“电子眼”，该项应用仅在工业应用领域就包括了检验、计量、测量、定向、瑕疵检测等多项实用性功能。目前国内的视觉传感器已经运用于多个领域以及各种企业的生产线上，视觉传感器可以对产品加工的进度和准确性进行精密检测，且检验的速度大多都比人工高效几十倍以上。

1.4 国外发展研究情况

1.4.1 国外仿生传感器发展情况

国外的传感器于20世纪60年代开始研发仿生传感器，正是发展时间长因而即便近年来我国科技技术一直迅速发展但与其仍具有一定的差距。其中美、德、日等工业发达国家的著名制造公司为国际市场的引导者，且在2010年，美国设立了“美国国家科学发展基金”，在其基础研究报告中提出：每年拨出69亿美元，支持物联网基础项目开发和探究。这次“传感器革命”造成了国外传感器的技术迅猛发展，更是促进了仿生传感器的多维化的完善，促使得仿生传感器向微型、生物化、智能化方面发展。

1.4.2 国外仿生传感器的技术发展

触觉传感器：据最新研究显示，以色列理工大学的研究人员受人体皮肤生物修复过程的启发，决定研发与人体皮肤类似的自我修复系统，开发出了一种柔性高分子树料，它在遭受“伤害”（即刮擦、割伤或扭伤）时能够“自愈”。这种材料运用于传感器领域与智能机械，很大可能获得具有自我修复能力的柔性电子皮肤，未来可运用在假肢生产等生物医学或人工智能领域。

嗅觉传感器：英国生化学家Gardner和Persand教授比较早提出研究具有人工嗅觉的器件的前景和用途，并且在Nature上发表了仿生人工嗅觉的假想和好处，随后国外开始慢慢的兴起仿生学的热潮。

Huotari利用了丽蝇是嗅神经元对1，4-丁二胺（1，4-diam inobutane，1，4-DAB）、己醇（1-hexanol，HX）和丁酸（hutanioc acid，BA）三种气体分子的反应，找到了适用于传感器检测的嗅神经元。目前处于实验室研究中，有关于气体检测的传感器和分析的仪器种类颇多，但真正能够具有仿生功能且可以投入市场运作的电子鼻仍然屈指可数。

视觉传感器：Banner工程公司生产出的部分视觉传感器已经能够捕获高达百万像素，无论在距离目标几米甚至几厘米远处，传感器都能够正确锁定十分清晰的目标图像、图形。目前我国以及其他国家在视觉传感器的发展都较为成熟，应用都开始广泛普及，但是国际整体来看，视觉传感器大都存在目标定位过程较为复杂，造成精确度低、耗时长、不稳定等问题。

2 目前存在的问题及拟解决方案

2.1 目前存在的问题

2.1.1 精度稳定低

目前的仿生传感器大多都只能应用于大批量，重复率高且目标对象差异不大的情况，各种仿生传感器的精确度都不是很高，且随着检测系统越来越复杂，很多仿生传感器的系统稳定性仍有所不足，需要采取一定措施使得仿生传感器在应用上实现低端到高端的发展。

2.1.2 多维感知难突破

随着近年来科研人员的不懈努力，传统传感器在灵敏度、制造工艺、精确性、可靠性等方面已经取得了较大进步，且很多传感器技术已进入了市场运营阶段，但是作为发展和形成时间较短的仿生传感器，不仅需要模仿人的感官的感知功能，还需要传感器能够将各种感应功能集成起来实现多维感知。因此，很長一段时间以来，实现多维感知功能一直是我国传感器领域的重要挑战和瓶颈之一。

2.2 拟解决的方案

2.2.1 加深对仿生传感器的理论研究

随着科学技术飞速，传感器及其系统变的越来越复杂，且传感器技术已经成为影响自动化业发展的瓶颈。传感器技术面临着极其严峻的挑战，同时加快推进传感器技术的研发，是一个国家发展必走的路。目前国内的仿生传感器技术研究已经具备着一定的实力与规模，但是由于缺乏国外传感器领域下坚固的基础系统，想要取得突破性的进展还需加大研发过程中的基础性产品，在传感系统的复杂化的当下，更要看清其中的本质，把复杂的问题简单化。近几十年以内，传统的传感技术还存在大量发展空间，只要加强对基础传感领域的突破才能到达需求精度高的“仿生”水平。比如视觉传感器的本质即为光敏传感器等技术的集合，只有对这些基础领域加深研究才能到达高精度、高水平。同时还需要夯实国内以微电子技术为基础的传感器技术是必不可少的过程，此外加强对传感器制造工艺的研究，完善产品可靠性，才能保证国内仿生传感器技术的深入研究以及应用的稳定发展。

2.2.2 发展交叉学科实现多维感知功能

想要实现多维感知的功能必须将交叉学科精密联系，让生物科学、材料科学、医学、化学、工程力学等学科的广泛参与，首先应该加大对仿生材料的创新以及推动交叉技术的广泛参与，同时也需要学习借鉴外国先进技术在传感器方面的应用，加快我国传感器设计水平，强化企业合作，签订协议学习更多的技术，目前我国已与英、德、以色列等国家旗下几百家公司表示愿意加强合作关系，并签订合作协议，推进了中国传感器行业的发展，让其国企业在国内开设子公司，提供更好的售后服务保障。在合作上实现双贏的局面，这样才能形成传感器行业的良性竞争发展和创新。

3 未来发展趋势

3.1 生物化

仿生传感器的诞生就是从生物界获得灵感，近年来不断发展研发出了很多生物化设备比如“看护机器人”、“仿生细胞传感器”、“伴侣机器人”，相信在系统集成技术的发展和支持下，未来的仿生传感器一定会产生更加贴近或具备生物化的仿生系统，同时在仿生技术的不断发展带动下，会促使仿生传感器无论从种类还是性能都会有较大的提高，使得未来人类能够模拟的生物特性的种类会不断扩大。

3.2 智能化

传感器是人类向外界得到信息的主要工具，一直以来都没有谁能取而代之，从与普通机械的检测到与人，生物的有机联系，仿生传感器一步步的正在向智能化发展。5G 时代下，万物互联将成为新的趋势。仿生传感器技术在机电技术中的应用将是实现“万物互联”的关键，研究并发展仿生传感器，让机电技术将会与智能技术更好地结合在一起，依靠传感器收集的基础数据和大数据技术做出的数据统筹分析等，在机器人控制以及其他需要机械设备领域中，智能化将会成为最为广泛的作业方式，同时产出和发展智能化的多种交叉学科，如具有对环境判断可产生自适应、自诊断、自修复、自增强等功能的智能材料，人力将会得到更大的解放，科技水平将得到质的飞跃。

4 结论

目前仿生传感器的市场和技术领域已经逐渐开始成熟化，但仿生传感器精度，稳定性低、多维感知难以突破等问题仍需要人们采取措施去解决，除了开发新系列的仿生传感器外，也需要加大力度完成现有系列，将仿生传感技术与生物学、工学等紧密相连，拓宽和巩固我国传感器领域的基础，积极与国外先进传感器领域交流。相信随着人们从多层次、多角度地对仿生传导机理进行了交叉综合的研究，未来一定会取得更多的进展，不久的将来，模拟生物体功能的嗅觉、视觉、触觉等仿生器的出现有可能会超过人类的五官能力，机器人的感官功能以及对目的物进行操作的功能将一步完善。

参考文献：

[1]赵伟军.机电技术中传感器技术的应用现状及发展趋势展望[J].建筑工程技术与设计，2020（18）：289.

[2] 冯永芳.传感器技术发展现状与趋势[J].百科论坛电子杂志， 2018（22）：539.

[3] 张宝珍，王萍.国外先进测试与传感器技术发展动态[J].航空科学技术，2012（01）：13-15.

[4] 刘宇昕.智能传感器的应用与发展趋势展望[J].数码设计（下）， 2019（02）：206.

[5] 许松南，范基胤，陈冠中，等.传感器发展趋势概述[J].数字通界，2015（10）：164-164.

[6] 马须敬，朱义彪.传感器的研究现状与发展趋势[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2017，38（01）：11-13.

西华大学 机械工程学院，四川 成都