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五感傳感器令電子設(shè)備更接近人類(續(xù)二)
作者:伊藤元昭、野澤哲生
來源:日經(jīng)BP社
日期:2009-10-10 09:23:23
摘要:五感傳感器令電子設(shè)備更接近人類(三):開發(fā)狀況;(四):目標(biāo)是具有人類皮膚的觸覺;(五):模仿可讀盲文的手指;(六):利用氣味信息;
本文中文翻譯由《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》特別提供
具有并超越人類感覺的五感傳感器
各類五感傳感器處于完全不同的開發(fā)階段(見圖4),從技術(shù)高度化、實(shí)用化的觀點(diǎn)來看,可以分為以下幾大階段:開發(fā)新的傳感器元件的階段;進(jìn)行小型化、集成化的階段;發(fā)展信息處理及識(shí)別技術(shù)的階段。
處于較領(lǐng)先地位的是聽覺傳感器與視覺傳感器,此類傳感器在信息處理、識(shí)別技術(shù)上的發(fā)展驚人。不久,應(yīng)該就可以從超高速動(dòng)態(tài)影像中提取出各種信息,并擴(kuò)大人類視野,可以看到以前人類看不到的地方。
上述五感傳感器開發(fā)的共通之處就是技術(shù)發(fā)展都充分參考了生物體的結(jié)構(gòu)。不光是開發(fā)仿真人類感覺的傳感器,而且還在致力于開發(fā)大大超越人的感覺及能力的傳感器。
下文將從傳感器元件的初級(jí)開發(fā)階段開始,按觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺的順序,對各傳感器的最前沿技術(shù)進(jìn)行介紹。
觸覺 目標(biāo)是具有人類皮膚的觸覺
接觸是人類最基本的交流手段之一。觸覺傳感器技術(shù)的提高,將有利于開發(fā)更具易用性的電子產(chǎn)品。但是,從目前所有集成了觸覺傳感器的系統(tǒng)來看,大部分還處于傳感器元件開發(fā)的初級(jí)階段。
在觸覺傳感器中,觸摸式傳感器技術(shù)從以前就被當(dāng)作用戶界面使用,PC的鼠標(biāo)也可說是觸覺傳感器的一種,而筆記本電腦等的觸摸板早在上世紀(jì)90 年代初就已上市。
上述傳感器中采用了各種各樣的技術(shù)(見表2)。例如,用間隔層隔開X、Y軸的布線,檢測X、Y軸上通過光線的過濾情況;使用聲波或超聲波檢測靜電容量的變化等技術(shù)。雖然各類技術(shù)有各自的特征及研究課題,但大部分技術(shù)都只是輸出觸摸板上的二維位置信息,而且只能同時(shí)檢測1 點(diǎn)的信息。 通過這1 點(diǎn)的位置信息所進(jìn)行的操作,在使用上是難以大幅超越鼠標(biāo)的。
觸覺傳感器技術(shù)最近已真正開始實(shí)用化,而且具有非常高的性能。具體來說,業(yè)界正在進(jìn)行以下三大方面的新技術(shù)開發(fā)(見圖5):大面積化、使用場所及應(yīng)用的多樣化;目標(biāo)是具有人類皮膚的感覺,不僅檢測位置,還將檢測力度、壓力、溫度、表面凹凸、有無摩擦等;利用CMOS 工藝等進(jìn)行集成。
人日常所接觸到的家電將來也會(huì)向該方面發(fā)展,設(shè)備外表面將布滿觸摸傳感器。
早稻田大學(xué)的研究小組開發(fā)的看護(hù)機(jī)器人TWENDYONE 內(nèi)嵌入了多種觸覺傳感器。胸與腕等處共計(jì)嵌入了164個(gè)8位分布式動(dòng)力傳感器FSR(Force Sensing Register),頭與手指上安裝的是6軸傳感器,可測量3軸的力與3軸的力矩。在手掌的硅橡膠人工皮膚下,還安裝了美國PPS(Pressure Profile Systems)公司的觸覺傳感膜,可檢測微小的壓力,并且可以抓住柔軟的物體。每只手掌上有241個(gè)感應(yīng)點(diǎn)。
與人的手指相比,這種密度自然不算高。不過如果從機(jī)器人的整體性能來看,目前還無需更高的密度。以往的觸覺傳感器僅僅用來檢測位置,但實(shí)際上人觸摸機(jī)器人時(shí),觸摸的方式不同,所包含的情感信息也不同,十分復(fù)雜。早稻田大學(xué)的菅野教授表示,此次的機(jī)器人TWENDYONE 里就安裝了可以控制這類復(fù)雜信息的傳感器。
根據(jù)脈搏測出血管年齡
PPS 公司觸覺傳感器的布線在X、Y軸上用間隔層隔開,并設(shè)置了柔軟的壓膜,通過該壓膜可以掃描檢查加壓時(shí)X、Y軸上布線寄生電容的變化。目前的分辨率間距為2.0mm~2.5mm。由于可以隨時(shí)間變化進(jìn)行檢測,所以可以將壓力變化通過PC 等進(jìn)行圖形化。
PPS公司的日本代理表示,上述觸覺傳感膜已經(jīng)被業(yè)界各廠商們廣泛使用?,F(xiàn)在的主要應(yīng)用包括:汽車輪胎的抓地力、假牙的咬合力與舌壓、燃料電池各單元之間的壓力測量等,最近在美國已開始用于臨場乳癌觸診及血壓測量。一般來說,乳癌觸診必須要有一定經(jīng)驗(yàn),但通過用傳感器將經(jīng)驗(yàn)數(shù)值化之后,就可以將診斷水平標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)做為血壓計(jì)使用時(shí),傳感器可通過脈搏波形的細(xì)微變化判斷出血管年齡。
追求易用性
在觸覺傳感器的應(yīng)用方面,最近備受關(guān)注的應(yīng)該是手機(jī)。日本鳥取三洋電機(jī)與三洋電機(jī)集團(tuán)領(lǐng)先其他公司一步,率先在手機(jī)上安裝了觸摸傳感器,而且并不是用于液晶屏,而是用在撥號(hào)鍵盤上。該功能被稱為Smooth Touch,只需要用手指觸劃就可以輸入文字或進(jìn)行拍照等操作。最初是在于2006年10月上市的W42SA 手機(jī)上集成了該功能,之后的W54SA、W61SA上也集成了同樣的功能,以帶給用戶更人性化的操作體驗(yàn)。
三洋電機(jī)在收集了手機(jī)用戶的反饋意見后發(fā)現(xiàn),如果是在液晶屏上安裝觸摸傳感器,大多數(shù)用戶會(huì)不太習(xí)慣用兩只手使用手機(jī)的方式,而且還有人覺得用手指觸摸很容易弄臟屏幕。因此,該公司就不再讓人適應(yīng)設(shè)備,而是采取了新的方式,讓設(shè)備迎合人的習(xí)慣。Smooth Touch 功能據(jù)說可以單手操作。
不接觸外殼也可以操作
三洋電機(jī)并未公布開發(fā)觸摸傳感器的具體公司。但像這種嵌入在設(shè)備外殼上的觸摸傳感器大多是靜電容量型產(chǎn)品,如意法半導(dǎo)體、日本阿爾卑斯電氣等公司開發(fā)的產(chǎn)品。靜電容量型產(chǎn)品的特征是可以通過塑料外殼檢測到手指。只要人的手指接近,就可檢測出電場的變化。因此,無需直接接觸傳感器就可以對人的手指做出反應(yīng)。
在CEATEC JAPAN 2007展會(huì)上,以日本阿爾卑斯電氣公司為首,多家公司都進(jìn)行了靜電容量型觸摸傳感器的現(xiàn)場演示,演示中手即使離機(jī)殼15cm~20cm,也可以操控游戲。雖然傳感器元件自身也進(jìn)行了一定的完善,但最主要的是利用了錯(cuò)誤校正電路,目前已經(jīng)可以檢測出100aF左右的微小靜電容量的變化。
類似人類感官的高靈敏度
也有企業(yè)在開發(fā)類似人體感官的傳感器觸覺結(jié)構(gòu)。CMC技術(shù)開發(fā)公司就利用被稱為CMC 的線圈狀碳纖維制作了多款觸覺傳感器(見圖6)。所謂CMC就是將2 根直徑約1μm 的碳素纖維繞合成線圈狀,線圈直徑大約5μm~10μm,長度約300μm。
使用CMC 的優(yōu)點(diǎn)就是其體積很小,僅有0.1mm2,但靈敏度非常高。其最小感知壓力為1Pa,最小感知位移為 0.1μm。并且與靜電容量型傳感器一樣,無需直接接觸,只要把手靠近,就可檢測到手的接近。而且,當(dāng)刺激不同時(shí),也會(huì)顯示不同的波形,所以可以分辨刺壓、摩擦的細(xì)微區(qū)別。如果能使傳感器元件表面像人的指紋一樣凹凸不平,那么靈敏度將更高。
還有一種在橡膠里加入碳素粉末的觸覺傳感器,被稱為感壓導(dǎo)電橡膠,根本無需使用CMC。不過,感壓導(dǎo)電橡膠的傳感方式不同,是根據(jù)應(yīng)力檢測電流的變化。因此如果要保證靈敏度,傳感器大小就需要幾mm。
CMC技術(shù)開發(fā)公司已經(jīng)開發(fā)了多款產(chǎn)品,準(zhǔn)備用于各種設(shè)想的應(yīng)用,現(xiàn)正處于樣品出貨階段。例如,可裝在電梯門或機(jī)械臂上,用來檢測人手的接近,以防止夾傷手;或者裝在醫(yī)用導(dǎo)管上,用來檢測血管壁與導(dǎo)管的接觸情況。
模仿可讀盲文的手指
另外,科學(xué)家們還在嘗試模仿其他人類觸覺的研究。例如,人指的觸覺功能不光是接觸與壓力,還包括可以檢測溫度的溫覺,而且具有很強(qiáng)的空間分辨能力,可以區(qū)分1mm~2mm 的凹凸。
日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)電氣電子專業(yè)準(zhǔn)教授高尾英邦所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,已實(shí)現(xiàn)了人指的溫覺及空間分析能力,接下來的目標(biāo)是開發(fā)具有時(shí)間分析能力的超越人類感覺的觸覺傳感器。
目前該小組已經(jīng)制作了多個(gè)可感覺溫度并分辨細(xì)微空間差別的觸覺圖形傳感器。該傳感器有幾mm2,其中排列了36 個(gè)像素,每個(gè)像素的大小約為150μm2~420μm2。每個(gè)像素里集成了應(yīng)力傳感器與溫度傳感器(見圖7a)。在該傳感器中,傳感器元件呈陣列狀排在感應(yīng)面,當(dāng)元件內(nèi)部形成空氣壓時(shí),感應(yīng)面會(huì)凸出。設(shè)計(jì)的原理就是通過凸出的感應(yīng)面壓向接觸面,從而測量凹凸及溫度等。
應(yīng)力傳感器采用了硅壓阻元件。當(dāng)硅壓阻元件的硅受到應(yīng)力時(shí),電阻就會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)力傳感器就是利用這一原理進(jìn)行檢測的。溫度傳感器所采用的熱電偶使用了PIN硅。整個(gè)芯片采用Post CMOS 工藝制造。
高尾英邦表示,目前該芯片已具有足夠的分辨率,可以嵌入IC 卡用于指紋識(shí)別、或用于讀取點(diǎn)字。目前每個(gè)像素的小型化目標(biāo)是100μm2,將來還可以更小。高尾英邦還表示:“MEMS的高度一般只有幾μm,如果可以用來分辨如此細(xì)微的凹凸,那么現(xiàn)在由于原子力顯微鏡(AFM)過大而無法使用的場合,或者無法測量非常狹小部位的問題,全部都將得以解決?!?nbsp;
另一方面,其時(shí)間分析能力大約為2kHz 左右, 已經(jīng)超過人指約1kHz 的時(shí)間分析能力(見圖7b)。不過,該傳感器現(xiàn)在對于音壓的靈敏度仍然較低,如果能進(jìn)一步提高靈敏度,將來應(yīng)該可以取代硅麥克風(fēng)。
增大面積時(shí)布線大幅增加
目前業(yè)界也正在研究如何增大面積,也就是將上述觸覺傳感器遍布到電子設(shè)備的外殼、顯示器、墻壁等,以及如何通過小型化、高集成化來達(dá)到可與人指媲美的感應(yīng)能力。但是,大面積化與集成化實(shí)際上是有沖突的,這就是安裝傳感器時(shí)布線數(shù)過多的問題??朔@一問題雖然有多種方法,但尚未有最終結(jié)論。
日本電氣通信大學(xué)智能機(jī)械專業(yè)教授下條誠認(rèn)為,人指觸覺小體的密度大約是1500 個(gè)/cm3,再加上其他感覺器官及負(fù)責(zé)感應(yīng)痛覺的游離神經(jīng)末梢,人手上大約有1.7萬根神經(jīng)纖維。這種結(jié)構(gòu)很難通過傳感器實(shí)現(xiàn)。
目前一種方法是采用動(dòng)態(tài)矩陣。動(dòng)態(tài)矩陣與采用X、Y布線連接各傳感器的圖像傳感器一樣,都使用了TFT(薄膜晶體管)。但此方法有一個(gè)缺點(diǎn),當(dāng)增加傳感器數(shù)量時(shí),掃描時(shí)間會(huì)變長,因此會(huì)降低應(yīng)答速度。據(jù)說一般機(jī)器人的應(yīng)答速度都大于1ms。
另一種方法就是利用無線技術(shù)。東京大學(xué)大學(xué)院信息理工系研究科系統(tǒng)信息學(xué)專業(yè)準(zhǔn)教授筱田裕之開發(fā)了直接使用RF 信號(hào)的二維通信膜,雖然是有線的,但傳感單元之間無需布線。不過,無線主要是面向廣播或多播通信,所以怎樣區(qū)分每個(gè)傳感單元,以及怎樣避免通信堵塞都是需要解決的課題。
此外還有一種方法是:當(dāng)需要特別高的空間分析能力時(shí),采用陣列式傳感器;而無需高空間分析能力時(shí),就干脆減少傳感器的密度。人體本身其實(shí)也采用了這種方式。日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的高尾教授也采取了這種方法,但當(dāng)應(yīng)用面積大大超過人體面積時(shí),還是有局限性。
電氣通信大學(xué)下條教授的研究小組與日本藤倉公司開發(fā)了新的傳感器元件,不管在多大的面積上,都只需4根布線,并且不會(huì)影響應(yīng)答性與分辨率。該技術(shù)將電流的面積積分改寫成一元積分,然后根據(jù)流過觸覺傳感膜周圍的電流,計(jì)算出人與物體所接觸的位置。其重點(diǎn)在于計(jì)算出電流動(dòng)量重心。下條教授的研究小組正在開發(fā)應(yīng)用此技術(shù)的系統(tǒng),在走廊下全部鋪上觸覺傳感膜,并根據(jù)走路方式的不同來識(shí)別人。
但這種方式仍然有缺點(diǎn),它無法同時(shí)檢測多個(gè)接觸點(diǎn)的位置。不過,如果將布線數(shù)增加到7根,就可以克服此缺點(diǎn),該技術(shù)據(jù)說已經(jīng)成熟,并且成功制作了樣品。
嗅覺 活用氣味中的信息
人們開始漸漸了解生物嗅覺的真諦及隱藏在各種氣味里的信息。模擬嗅覺功能的傳感器發(fā)展也與此步調(diào)一致,應(yīng)用于各領(lǐng)域的機(jī)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
人類并不能有意識(shí)地發(fā)出特定氣味。因此,嗅覺傳感器應(yīng)用于電子設(shè)備的用戶界面時(shí),與集成視覺、聽覺、觸覺傳感器時(shí)的方法不同。人類利用設(shè)備的視覺、聽覺、觸覺,可以有意識(shí)地通過表情、聲音、動(dòng)作來控制設(shè)備。但是,以氣味為媒介的用戶界面,卻可用來將人本身的狀態(tài)通知給設(shè)備。設(shè)備通過人類發(fā)出的氣味得到相應(yīng)信息,從而做出判斷要執(zhí)行什么樣的動(dòng)作。比如,集成嗅覺傳感器后,設(shè)備就可以診斷疾病。
兩大應(yīng)用
用傳感器檢測氣味的方法主要分為兩種(見圖8)。其中一種是氣體傳感器,其采用多個(gè)對特定氣體濃度可做出反應(yīng)的傳感器,來檢測發(fā)出氣味的味源物質(zhì)濃度。另一種方法就是模擬人類嗅覺功能的生物傳感器。前者已經(jīng)開始實(shí)用化,后者尚處于研發(fā)階段。
此外,還需要使用被稱為主成分分析的統(tǒng)計(jì)方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,用于識(shí)別味源物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氣味的對應(yīng)關(guān)系。此類應(yīng)用大多是工業(yè)用大規(guī)模分析設(shè)備或者特定應(yīng)用范圍的小型設(shè)備。
另一方面,如果使用生物傳感器,那就可通過檢測結(jié)果與氣味的對應(yīng)關(guān)系再現(xiàn)人的感覺。不過,現(xiàn)在的氣體傳感器尚未達(dá)到那種高度逼真的程度,將來是否能實(shí)現(xiàn)也尚未明確。對于嗅覺結(jié)構(gòu)來說,目前仍處于初級(jí)研究階段,還沒有辦法完全模擬。
通過分析技術(shù)提高選擇性
以氣體傳感器為基礎(chǔ)的工業(yè)用嗅覺傳感器已經(jīng)上市,在實(shí)際應(yīng)用中主要用來開發(fā)食品等。
氣體傳感器技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵在于提高靈敏度與選擇性。隨著分析結(jié)果與氣味之間對應(yīng)關(guān)系的建立、以及主成分分析等模式識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步,性能方面已經(jīng)大幅增強(qiáng)。
氣體傳感器有半導(dǎo)體式、電氣化學(xué)式、接觸燃燒式等多種類型(見圖9),各類傳感器可檢測的氣體濃度范圍及使用性各不相同。其中嗅覺傳感器大多采用了半導(dǎo)體氣體傳感器。
半導(dǎo)體氣體傳感器不光靈敏度高,而且應(yīng)答速度快,穩(wěn)定性也好,而且容易維護(hù)。日產(chǎn)汽車開發(fā)了新的系統(tǒng),通過檢測酒精濃度來防止酒后駕駛。
不過,半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性較差,也就是說,在區(qū)別不同種類的氣體時(shí),其檢測能力較差。但是,最近信息處理技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以彌補(bǔ)這一缺陷。例如通過比較多個(gè)不同特性的傳感器所輸出的結(jié)果,并進(jìn)行主成分分析等,然后換算成所檢測氣體的濃度。雖然傳感器元件仍是原來的產(chǎn)品,但識(shí)別氣體的能力得到了提高。
使用了上述半導(dǎo)體氣體傳感器的嗅覺傳感器已經(jīng)上市,目前主要用于食品的開發(fā)及品質(zhì)管理。在日本,市場占有率最高的是島津制作所的FF-2A(見圖 10),該裝置可以通過咖啡的香味來區(qū)分是摩卡咖啡還是乞力馬扎羅咖啡。FF-2A 內(nèi)安裝了10 個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器,可以檢測硫化氫類、硫黃類、氨類、胺類、有機(jī)酸類、醛類、酯類、芳香族類、碳化氫類等9種類型的氣味,并能將分析結(jié)果用雷達(dá)圖表示出來。
最近嗅覺傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們關(guān)注,其原理就是當(dāng)人類生病時(shí)會(huì)發(fā)出各種氣味,不同疾病的氣味不同。
幽門桿菌是引起胃炎與胃潰瘍的主要原因。目前已有半導(dǎo)體氣體傳感器可以檢測CO2(二氧化碳)的濃度,從而判斷此病菌是否存在。而且此類氣體傳感器已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)備上,在日本已認(rèn)定為醫(yī)療設(shè)備。在美國等國家也在進(jìn)行各種疾病與氣味關(guān)系的研究,并在討論是否適用于實(shí)際診斷(見表2)。
發(fā)出氣味的電視
在嗅覺傳感器應(yīng)用方面,氣味顯示屏也備受人們關(guān)注。通過此類傳感器可將氣味數(shù)值化,并可以進(jìn)行保存、傳輸?shù)?。它可用來將多種氣味混合制作出好聞的氣味,或者使電視可以根據(jù)播放的圖像釋放出相應(yīng)的氣味。以大學(xué)為首,已有多家研究機(jī)構(gòu)加入相關(guān)技術(shù)的開發(fā)行列。
東京工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)教授中本高道所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就研發(fā)了再現(xiàn)氣味的技術(shù),可將發(fā)送方嗅覺傳感器所檢測到的氣味數(shù)值化,然后在此基礎(chǔ)上對32種主要?dú)馕冻煞诌M(jìn)行調(diào)配,從而人工再現(xiàn)氣味。雖然味源物質(zhì)少于實(shí)際水果所含的物質(zhì),但已經(jīng)可以基本仿真原物的氣味。(未完待續(xù))
具有并超越人類感覺的五感傳感器
各類五感傳感器處于完全不同的開發(fā)階段(見圖4),從技術(shù)高度化、實(shí)用化的觀點(diǎn)來看,可以分為以下幾大階段:開發(fā)新的傳感器元件的階段;進(jìn)行小型化、集成化的階段;發(fā)展信息處理及識(shí)別技術(shù)的階段。
處于較領(lǐng)先地位的是聽覺傳感器與視覺傳感器,此類傳感器在信息處理、識(shí)別技術(shù)上的發(fā)展驚人。不久,應(yīng)該就可以從超高速動(dòng)態(tài)影像中提取出各種信息,并擴(kuò)大人類視野,可以看到以前人類看不到的地方。
上述五感傳感器開發(fā)的共通之處就是技術(shù)發(fā)展都充分參考了生物體的結(jié)構(gòu)。不光是開發(fā)仿真人類感覺的傳感器,而且還在致力于開發(fā)大大超越人的感覺及能力的傳感器。
下文將從傳感器元件的初級(jí)開發(fā)階段開始,按觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺的順序,對各傳感器的最前沿技術(shù)進(jìn)行介紹。
觸覺 目標(biāo)是具有人類皮膚的觸覺
接觸是人類最基本的交流手段之一。觸覺傳感器技術(shù)的提高,將有利于開發(fā)更具易用性的電子產(chǎn)品。但是,從目前所有集成了觸覺傳感器的系統(tǒng)來看,大部分還處于傳感器元件開發(fā)的初級(jí)階段。
在觸覺傳感器中,觸摸式傳感器技術(shù)從以前就被當(dāng)作用戶界面使用,PC的鼠標(biāo)也可說是觸覺傳感器的一種,而筆記本電腦等的觸摸板早在上世紀(jì)90 年代初就已上市。
上述傳感器中采用了各種各樣的技術(shù)(見表2)。例如,用間隔層隔開X、Y軸的布線,檢測X、Y軸上通過光線的過濾情況;使用聲波或超聲波檢測靜電容量的變化等技術(shù)。雖然各類技術(shù)有各自的特征及研究課題,但大部分技術(shù)都只是輸出觸摸板上的二維位置信息,而且只能同時(shí)檢測1 點(diǎn)的信息。 通過這1 點(diǎn)的位置信息所進(jìn)行的操作,在使用上是難以大幅超越鼠標(biāo)的。
觸覺傳感器技術(shù)最近已真正開始實(shí)用化,而且具有非常高的性能。具體來說,業(yè)界正在進(jìn)行以下三大方面的新技術(shù)開發(fā)(見圖5):大面積化、使用場所及應(yīng)用的多樣化;目標(biāo)是具有人類皮膚的感覺,不僅檢測位置,還將檢測力度、壓力、溫度、表面凹凸、有無摩擦等;利用CMOS 工藝等進(jìn)行集成。
人日常所接觸到的家電將來也會(huì)向該方面發(fā)展,設(shè)備外表面將布滿觸摸傳感器。
早稻田大學(xué)的研究小組開發(fā)的看護(hù)機(jī)器人TWENDYONE 內(nèi)嵌入了多種觸覺傳感器。胸與腕等處共計(jì)嵌入了164個(gè)8位分布式動(dòng)力傳感器FSR(Force Sensing Register),頭與手指上安裝的是6軸傳感器,可測量3軸的力與3軸的力矩。在手掌的硅橡膠人工皮膚下,還安裝了美國PPS(Pressure Profile Systems)公司的觸覺傳感膜,可檢測微小的壓力,并且可以抓住柔軟的物體。每只手掌上有241個(gè)感應(yīng)點(diǎn)。
與人的手指相比,這種密度自然不算高。不過如果從機(jī)器人的整體性能來看,目前還無需更高的密度。以往的觸覺傳感器僅僅用來檢測位置,但實(shí)際上人觸摸機(jī)器人時(shí),觸摸的方式不同,所包含的情感信息也不同,十分復(fù)雜。早稻田大學(xué)的菅野教授表示,此次的機(jī)器人TWENDYONE 里就安裝了可以控制這類復(fù)雜信息的傳感器。
根據(jù)脈搏測出血管年齡
PPS 公司觸覺傳感器的布線在X、Y軸上用間隔層隔開,并設(shè)置了柔軟的壓膜,通過該壓膜可以掃描檢查加壓時(shí)X、Y軸上布線寄生電容的變化。目前的分辨率間距為2.0mm~2.5mm。由于可以隨時(shí)間變化進(jìn)行檢測,所以可以將壓力變化通過PC 等進(jìn)行圖形化。
PPS公司的日本代理表示,上述觸覺傳感膜已經(jīng)被業(yè)界各廠商們廣泛使用?,F(xiàn)在的主要應(yīng)用包括:汽車輪胎的抓地力、假牙的咬合力與舌壓、燃料電池各單元之間的壓力測量等,最近在美國已開始用于臨場乳癌觸診及血壓測量。一般來說,乳癌觸診必須要有一定經(jīng)驗(yàn),但通過用傳感器將經(jīng)驗(yàn)數(shù)值化之后,就可以將診斷水平標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)做為血壓計(jì)使用時(shí),傳感器可通過脈搏波形的細(xì)微變化判斷出血管年齡。
追求易用性
在觸覺傳感器的應(yīng)用方面,最近備受關(guān)注的應(yīng)該是手機(jī)。日本鳥取三洋電機(jī)與三洋電機(jī)集團(tuán)領(lǐng)先其他公司一步,率先在手機(jī)上安裝了觸摸傳感器,而且并不是用于液晶屏,而是用在撥號(hào)鍵盤上。該功能被稱為Smooth Touch,只需要用手指觸劃就可以輸入文字或進(jìn)行拍照等操作。最初是在于2006年10月上市的W42SA 手機(jī)上集成了該功能,之后的W54SA、W61SA上也集成了同樣的功能,以帶給用戶更人性化的操作體驗(yàn)。
三洋電機(jī)在收集了手機(jī)用戶的反饋意見后發(fā)現(xiàn),如果是在液晶屏上安裝觸摸傳感器,大多數(shù)用戶會(huì)不太習(xí)慣用兩只手使用手機(jī)的方式,而且還有人覺得用手指觸摸很容易弄臟屏幕。因此,該公司就不再讓人適應(yīng)設(shè)備,而是采取了新的方式,讓設(shè)備迎合人的習(xí)慣。Smooth Touch 功能據(jù)說可以單手操作。
不接觸外殼也可以操作
三洋電機(jī)并未公布開發(fā)觸摸傳感器的具體公司。但像這種嵌入在設(shè)備外殼上的觸摸傳感器大多是靜電容量型產(chǎn)品,如意法半導(dǎo)體、日本阿爾卑斯電氣等公司開發(fā)的產(chǎn)品。靜電容量型產(chǎn)品的特征是可以通過塑料外殼檢測到手指。只要人的手指接近,就可檢測出電場的變化。因此,無需直接接觸傳感器就可以對人的手指做出反應(yīng)。
在CEATEC JAPAN 2007展會(huì)上,以日本阿爾卑斯電氣公司為首,多家公司都進(jìn)行了靜電容量型觸摸傳感器的現(xiàn)場演示,演示中手即使離機(jī)殼15cm~20cm,也可以操控游戲。雖然傳感器元件自身也進(jìn)行了一定的完善,但最主要的是利用了錯(cuò)誤校正電路,目前已經(jīng)可以檢測出100aF左右的微小靜電容量的變化。
類似人類感官的高靈敏度
也有企業(yè)在開發(fā)類似人體感官的傳感器觸覺結(jié)構(gòu)。CMC技術(shù)開發(fā)公司就利用被稱為CMC 的線圈狀碳纖維制作了多款觸覺傳感器(見圖6)。所謂CMC就是將2 根直徑約1μm 的碳素纖維繞合成線圈狀,線圈直徑大約5μm~10μm,長度約300μm。
使用CMC 的優(yōu)點(diǎn)就是其體積很小,僅有0.1mm2,但靈敏度非常高。其最小感知壓力為1Pa,最小感知位移為 0.1μm。并且與靜電容量型傳感器一樣,無需直接接觸,只要把手靠近,就可檢測到手的接近。而且,當(dāng)刺激不同時(shí),也會(huì)顯示不同的波形,所以可以分辨刺壓、摩擦的細(xì)微區(qū)別。如果能使傳感器元件表面像人的指紋一樣凹凸不平,那么靈敏度將更高。
還有一種在橡膠里加入碳素粉末的觸覺傳感器,被稱為感壓導(dǎo)電橡膠,根本無需使用CMC。不過,感壓導(dǎo)電橡膠的傳感方式不同,是根據(jù)應(yīng)力檢測電流的變化。因此如果要保證靈敏度,傳感器大小就需要幾mm。
CMC技術(shù)開發(fā)公司已經(jīng)開發(fā)了多款產(chǎn)品,準(zhǔn)備用于各種設(shè)想的應(yīng)用,現(xiàn)正處于樣品出貨階段。例如,可裝在電梯門或機(jī)械臂上,用來檢測人手的接近,以防止夾傷手;或者裝在醫(yī)用導(dǎo)管上,用來檢測血管壁與導(dǎo)管的接觸情況。
模仿可讀盲文的手指
另外,科學(xué)家們還在嘗試模仿其他人類觸覺的研究。例如,人指的觸覺功能不光是接觸與壓力,還包括可以檢測溫度的溫覺,而且具有很強(qiáng)的空間分辨能力,可以區(qū)分1mm~2mm 的凹凸。
日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)電氣電子專業(yè)準(zhǔn)教授高尾英邦所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,已實(shí)現(xiàn)了人指的溫覺及空間分析能力,接下來的目標(biāo)是開發(fā)具有時(shí)間分析能力的超越人類感覺的觸覺傳感器。
目前該小組已經(jīng)制作了多個(gè)可感覺溫度并分辨細(xì)微空間差別的觸覺圖形傳感器。該傳感器有幾mm2,其中排列了36 個(gè)像素,每個(gè)像素的大小約為150μm2~420μm2。每個(gè)像素里集成了應(yīng)力傳感器與溫度傳感器(見圖7a)。在該傳感器中,傳感器元件呈陣列狀排在感應(yīng)面,當(dāng)元件內(nèi)部形成空氣壓時(shí),感應(yīng)面會(huì)凸出。設(shè)計(jì)的原理就是通過凸出的感應(yīng)面壓向接觸面,從而測量凹凸及溫度等。
應(yīng)力傳感器采用了硅壓阻元件。當(dāng)硅壓阻元件的硅受到應(yīng)力時(shí),電阻就會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)力傳感器就是利用這一原理進(jìn)行檢測的。溫度傳感器所采用的熱電偶使用了PIN硅。整個(gè)芯片采用Post CMOS 工藝制造。
高尾英邦表示,目前該芯片已具有足夠的分辨率,可以嵌入IC 卡用于指紋識(shí)別、或用于讀取點(diǎn)字。目前每個(gè)像素的小型化目標(biāo)是100μm2,將來還可以更小。高尾英邦還表示:“MEMS的高度一般只有幾μm,如果可以用來分辨如此細(xì)微的凹凸,那么現(xiàn)在由于原子力顯微鏡(AFM)過大而無法使用的場合,或者無法測量非常狹小部位的問題,全部都將得以解決?!?nbsp;
另一方面,其時(shí)間分析能力大約為2kHz 左右, 已經(jīng)超過人指約1kHz 的時(shí)間分析能力(見圖7b)。不過,該傳感器現(xiàn)在對于音壓的靈敏度仍然較低,如果能進(jìn)一步提高靈敏度,將來應(yīng)該可以取代硅麥克風(fēng)。
增大面積時(shí)布線大幅增加
目前業(yè)界也正在研究如何增大面積,也就是將上述觸覺傳感器遍布到電子設(shè)備的外殼、顯示器、墻壁等,以及如何通過小型化、高集成化來達(dá)到可與人指媲美的感應(yīng)能力。但是,大面積化與集成化實(shí)際上是有沖突的,這就是安裝傳感器時(shí)布線數(shù)過多的問題??朔@一問題雖然有多種方法,但尚未有最終結(jié)論。
日本電氣通信大學(xué)智能機(jī)械專業(yè)教授下條誠認(rèn)為,人指觸覺小體的密度大約是1500 個(gè)/cm3,再加上其他感覺器官及負(fù)責(zé)感應(yīng)痛覺的游離神經(jīng)末梢,人手上大約有1.7萬根神經(jīng)纖維。這種結(jié)構(gòu)很難通過傳感器實(shí)現(xiàn)。
目前一種方法是采用動(dòng)態(tài)矩陣。動(dòng)態(tài)矩陣與采用X、Y布線連接各傳感器的圖像傳感器一樣,都使用了TFT(薄膜晶體管)。但此方法有一個(gè)缺點(diǎn),當(dāng)增加傳感器數(shù)量時(shí),掃描時(shí)間會(huì)變長,因此會(huì)降低應(yīng)答速度。據(jù)說一般機(jī)器人的應(yīng)答速度都大于1ms。
另一種方法就是利用無線技術(shù)。東京大學(xué)大學(xué)院信息理工系研究科系統(tǒng)信息學(xué)專業(yè)準(zhǔn)教授筱田裕之開發(fā)了直接使用RF 信號(hào)的二維通信膜,雖然是有線的,但傳感單元之間無需布線。不過,無線主要是面向廣播或多播通信,所以怎樣區(qū)分每個(gè)傳感單元,以及怎樣避免通信堵塞都是需要解決的課題。
此外還有一種方法是:當(dāng)需要特別高的空間分析能力時(shí),采用陣列式傳感器;而無需高空間分析能力時(shí),就干脆減少傳感器的密度。人體本身其實(shí)也采用了這種方式。日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)的高尾教授也采取了這種方法,但當(dāng)應(yīng)用面積大大超過人體面積時(shí),還是有局限性。
電氣通信大學(xué)下條教授的研究小組與日本藤倉公司開發(fā)了新的傳感器元件,不管在多大的面積上,都只需4根布線,并且不會(huì)影響應(yīng)答性與分辨率。該技術(shù)將電流的面積積分改寫成一元積分,然后根據(jù)流過觸覺傳感膜周圍的電流,計(jì)算出人與物體所接觸的位置。其重點(diǎn)在于計(jì)算出電流動(dòng)量重心。下條教授的研究小組正在開發(fā)應(yīng)用此技術(shù)的系統(tǒng),在走廊下全部鋪上觸覺傳感膜,并根據(jù)走路方式的不同來識(shí)別人。
但這種方式仍然有缺點(diǎn),它無法同時(shí)檢測多個(gè)接觸點(diǎn)的位置。不過,如果將布線數(shù)增加到7根,就可以克服此缺點(diǎn),該技術(shù)據(jù)說已經(jīng)成熟,并且成功制作了樣品。
嗅覺 活用氣味中的信息
人們開始漸漸了解生物嗅覺的真諦及隱藏在各種氣味里的信息。模擬嗅覺功能的傳感器發(fā)展也與此步調(diào)一致,應(yīng)用于各領(lǐng)域的機(jī)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
人類并不能有意識(shí)地發(fā)出特定氣味。因此,嗅覺傳感器應(yīng)用于電子設(shè)備的用戶界面時(shí),與集成視覺、聽覺、觸覺傳感器時(shí)的方法不同。人類利用設(shè)備的視覺、聽覺、觸覺,可以有意識(shí)地通過表情、聲音、動(dòng)作來控制設(shè)備。但是,以氣味為媒介的用戶界面,卻可用來將人本身的狀態(tài)通知給設(shè)備。設(shè)備通過人類發(fā)出的氣味得到相應(yīng)信息,從而做出判斷要執(zhí)行什么樣的動(dòng)作。比如,集成嗅覺傳感器后,設(shè)備就可以診斷疾病。
兩大應(yīng)用
用傳感器檢測氣味的方法主要分為兩種(見圖8)。其中一種是氣體傳感器,其采用多個(gè)對特定氣體濃度可做出反應(yīng)的傳感器,來檢測發(fā)出氣味的味源物質(zhì)濃度。另一種方法就是模擬人類嗅覺功能的生物傳感器。前者已經(jīng)開始實(shí)用化,后者尚處于研發(fā)階段。
此外,還需要使用被稱為主成分分析的統(tǒng)計(jì)方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,用于識(shí)別味源物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與氣味的對應(yīng)關(guān)系。此類應(yīng)用大多是工業(yè)用大規(guī)模分析設(shè)備或者特定應(yīng)用范圍的小型設(shè)備。
另一方面,如果使用生物傳感器,那就可通過檢測結(jié)果與氣味的對應(yīng)關(guān)系再現(xiàn)人的感覺。不過,現(xiàn)在的氣體傳感器尚未達(dá)到那種高度逼真的程度,將來是否能實(shí)現(xiàn)也尚未明確。對于嗅覺結(jié)構(gòu)來說,目前仍處于初級(jí)研究階段,還沒有辦法完全模擬。
通過分析技術(shù)提高選擇性
以氣體傳感器為基礎(chǔ)的工業(yè)用嗅覺傳感器已經(jīng)上市,在實(shí)際應(yīng)用中主要用來開發(fā)食品等。
氣體傳感器技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵在于提高靈敏度與選擇性。隨著分析結(jié)果與氣味之間對應(yīng)關(guān)系的建立、以及主成分分析等模式識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步,性能方面已經(jīng)大幅增強(qiáng)。
氣體傳感器有半導(dǎo)體式、電氣化學(xué)式、接觸燃燒式等多種類型(見圖9),各類傳感器可檢測的氣體濃度范圍及使用性各不相同。其中嗅覺傳感器大多采用了半導(dǎo)體氣體傳感器。
半導(dǎo)體氣體傳感器不光靈敏度高,而且應(yīng)答速度快,穩(wěn)定性也好,而且容易維護(hù)。日產(chǎn)汽車開發(fā)了新的系統(tǒng),通過檢測酒精濃度來防止酒后駕駛。
不過,半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性較差,也就是說,在區(qū)別不同種類的氣體時(shí),其檢測能力較差。但是,最近信息處理技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以彌補(bǔ)這一缺陷。例如通過比較多個(gè)不同特性的傳感器所輸出的結(jié)果,并進(jìn)行主成分分析等,然后換算成所檢測氣體的濃度。雖然傳感器元件仍是原來的產(chǎn)品,但識(shí)別氣體的能力得到了提高。
使用了上述半導(dǎo)體氣體傳感器的嗅覺傳感器已經(jīng)上市,目前主要用于食品的開發(fā)及品質(zhì)管理。在日本,市場占有率最高的是島津制作所的FF-2A(見圖 10),該裝置可以通過咖啡的香味來區(qū)分是摩卡咖啡還是乞力馬扎羅咖啡。FF-2A 內(nèi)安裝了10 個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器,可以檢測硫化氫類、硫黃類、氨類、胺類、有機(jī)酸類、醛類、酯類、芳香族類、碳化氫類等9種類型的氣味,并能將分析結(jié)果用雷達(dá)圖表示出來。
最近嗅覺傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們關(guān)注,其原理就是當(dāng)人類生病時(shí)會(huì)發(fā)出各種氣味,不同疾病的氣味不同。
幽門桿菌是引起胃炎與胃潰瘍的主要原因。目前已有半導(dǎo)體氣體傳感器可以檢測CO2(二氧化碳)的濃度,從而判斷此病菌是否存在。而且此類氣體傳感器已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)備上,在日本已認(rèn)定為醫(yī)療設(shè)備。在美國等國家也在進(jìn)行各種疾病與氣味關(guān)系的研究,并在討論是否適用于實(shí)際診斷(見表2)。
發(fā)出氣味的電視
在嗅覺傳感器應(yīng)用方面,氣味顯示屏也備受人們關(guān)注。通過此類傳感器可將氣味數(shù)值化,并可以進(jìn)行保存、傳輸?shù)?。它可用來將多種氣味混合制作出好聞的氣味,或者使電視可以根據(jù)播放的圖像釋放出相應(yīng)的氣味。以大學(xué)為首,已有多家研究機(jī)構(gòu)加入相關(guān)技術(shù)的開發(fā)行列。
東京工業(yè)大學(xué)準(zhǔn)教授中本高道所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組就研發(fā)了再現(xiàn)氣味的技術(shù),可將發(fā)送方嗅覺傳感器所檢測到的氣味數(shù)值化,然后在此基礎(chǔ)上對32種主要?dú)馕冻煞诌M(jìn)行調(diào)配,從而人工再現(xiàn)氣味。雖然味源物質(zhì)少于實(shí)際水果所含的物質(zhì),但已經(jīng)可以基本仿真原物的氣味。(未完待續(xù))