触觉是人类认识世界的重要方式。相比视觉，触觉在感知透明、反光、微小及复杂曲面物体时具有独特优势。随着智能机器人和人机交互发展，如何让机器像皮肤一样感知接触、运动与三维形貌，成为柔性传感领域的重要课题。开发兼具高灵敏、宽量程和稳定性的触觉器件，对提升机器环境感知与交互能力具有重要意义。

云南大学万艳芬团队与中国科学院过程工程研究所杨乃亮团队合作，受赫兹接触力学启发，研究团队构筑了由0D聚偏氟乙烯（PVDF）微球与1D PVDF纳米纤维协同组成的压电感知结构，通过异质界面调控机械应力传递，在灵敏度、测量范围与稳定性之间实现良好平衡。进一步结合人工神经网络与多视角信息融合，实现了动态触觉轨迹识别、三维轮廓识别及形貌重构，为机器人触觉感知、柔性电子和人机交互等应用提供了新的设计思路。相关研究成果以“Sensitive 0D-1D Piezoelectric Perceptron Enable Machine Tactile for 3D Recognition”为题发表在《Advanced Fiber Materials》上。

图1 压电传感器的结构设计及力学调控

研究团队首先比较了球-球（0D-0D）、纤维-纤维（1D-1D）和球-纤维（0D-1D）三种接触模式。有限元分析表明，0D-1D接触的峰值应力为246.7 Pa，在应力集中与应力扩散之间实现平衡，有效促进外部机械刺激向压电活性单元传递，为高性能柔性触觉感知器件的构筑提供了新的结构设计思路。

图2 压电层材料的制备与表征

此外，团队采用“静电喷雾-静电纺丝”相结合的工艺方式，在PVDF纳米纤维网络两侧沉积PVDF微球，构筑了0D-1D PVDF压电结构，实现均匀应力传递与压电性能增强。通过静电纺丝诱导PVDF相中β相形成，并引入铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）进行调控，使β相含量提升至74.7%。

图3 压电传感器的性能分析

微球与纤维形成的协同界面可有效调控机械应力传递，增强局部刺激响应，并促进PVDF分子偶极取向和界面电荷积累，从而提高压电转换效率。相比传统纯纤维结构，0D-1D杂化压电器件的输出电压提高67.2%，压力灵敏度最高提升122.6%，并实现3~510 kPa的宽范围压力检测。经过10000次循环加载后，器件仍保持96.6%的初始性能，响应时间约为200 ms，表现出良好的稳定性与动态触觉响应能力。

图4 基于压电传感器的触觉感知器与轨迹识别

进一步，研究团队将器件输出的压电信号与人工神经网络相结合，实现触觉信号的智能解析。通过提取不同机械刺激下的时域响应特征，建立传感信号与触觉行为之间的映射关系，可对单击、双击、滑动、放大和缩小五类典型人机交互操作进行识别，轨迹分类准确率达到90.5%。此外，该系统通过采集球体、五棱柱、圆柱、六棱柱和立方体等典型几何结构的压电响应，实现不同三维轮廓的实时识别，准确率达到99.3%。

图5 实时三维轮廓重构过程示意

为了突破单一接触面带来的信息缺失问题，团队提出多视角融合策略。通过顶部、侧面和正面多方向扫描获取互补触觉特征，并结合特征融合算法，实现五类三维轮廓的100%准确识别。这些研究为进一步开发高灵敏、多维度仿生触觉感知器件提供了基础。

（来源：Advanced Fiber Materials）