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五感传感器令电子设备更接近人类(续二)

2015-04-18   来源:互联网   点击:
本文中文翻译由《电子设计应用》特别提供 具有并超越人类感觉的五感传感器   各类五感传感器处于完全不同的开发阶段(见图4),从技术高度化、实用化的观点来看,可以分为以下几大阶段:开发新的传感器元件的阶
本文中文翻译由《电子设计应用》特别提供 

具有并超越人类感觉的五感传感器
 

  各类五感传感器处于完全不同的开发阶段(见图4),从技术高度化、实用化的观点来看,可以分为以下几大阶段:开发新的传感器元件的阶段;进行小型化、集成化的阶段;发展信息处理及识别技术的阶段。  

      其中,触觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器在开发传感器元件的阶段就已经落后于其他传感器,但最近其新技术及崭新应用正在急速增加。例如,之前的触觉传感器只能检测位置,而新的传感器可检测压力与温度。而嗅觉传感器已经可以通过体臭或口臭识别疾病。味觉传感器则可真实再现人的味觉,将应用于烹调器具。 

  处于较领先地位的是听觉传感器与视觉传感器,此类传感器在信息处理、识别技术上的发展惊人。不久,应该就可以从超高速动态影像中提取出各种信息,并扩大人类视野,可以看到以前人类看不到的地方。 

  上述五感传感器开发的共通之处就是技术发展都充分参考了生物体的结构。不光是开发仿真人类感觉的传感器,而且还在致力于开发大大超越人的感觉及能力的传感器。 

  下文将从传感器元件的初级开发阶段开始,按触觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉的顺序,对各传感器的最前沿技术进行介绍。 

触觉 目标是具有人类皮肤的触觉 

  接触是人类最基本的交流手段之一。触觉传感器技术的提高,将有利于开发更具易用性的电子产品。但是,从目前所有集成了触觉传感器的系统来看,大部分还处于传感器元件开发的初级阶段。 

  在触觉传感器中,触摸式传感器技术从以前就被当作用户界面使用,PC的鼠标也可说是触觉传感器的一种,而笔记本电脑等的触摸板早在上世纪90 年代初就已上市。 

  上述传感器中采用了各种各样的技术(见表2)。例如,用间隔层隔开X、Y轴的布线,检测X、Y轴上通过光线的过滤情况;使用声波或超声波检测静电容量的变化等技术。虽然各类技术有各自的特征及研究课题,但大部分技术都只是输出触摸板上的二维位置信息,而且只能同时检测1 点的信息。 通过这1 点的位置信息所进行的操作,在使用上是难以大幅超越鼠标的。  

模仿人类感觉的应用在不断扩大 

  触觉传感器技术最近已真正开始实用化,而且具有非常高的性能。具体来说,业界正在进行以下三大方面的新技术开发(见图5):大面积化、使用场所及应用的多样化;目标是具有人类皮肤的感觉,不仅检测位置,还将检测力度、压力、温度、表面凹凸、有无摩擦等;利用CMOS 工艺等进行集成。  

      大面积方面有像微软公司的Microsoft Surface那样的大型液晶屏上市,该屏幕上布满了触摸传感器,不光面积大,而且可同时检测多根手指的接触,所以可以用两只手对屏幕上显示的相片、图形等进行移动、扩大、缩小、旋转等操作。 

  人日常所接触到的家电将来也会向该方面发展,设备外表面将布满触摸传感器。 

  早稻田大学的研究小组开发的看护机器人TWENDYONE 内嵌入了多种触觉传感器。胸与腕等处共计嵌入了164个8位分布式动力传感器FSR(Force Sensing Register),头与手指上安装的是6轴传感器,可测量3轴的力与3轴的力矩。在手掌的硅橡胶人工皮肤下,还安装了美国PPS(Pressure Profile Systems)公司的触觉传感膜,可检测微小的压力,并且可以抓住柔软的物体。每只手掌上有241个感应点。 

  与人的手指相比,这种密度自然不算高。不过如果从机器人的整体性能来看,目前还无需更高的密度。以往的触觉传感器仅仅用来检测位置,但实际上人触摸机器人时,触摸的方式不同,所包含的情感信息也不同,十分复杂。早稻田大学的菅野教授表示,此次的机器人TWENDYONE 里就安装了可以控制这类复杂信息的传感器。

根据脉搏测出血管年龄 

  PPS 公司触觉传感器的布线在X、Y轴上用间隔层隔开,并设置了柔软的压膜,通过该压膜可以扫描检查加压时X、Y轴上布线寄生电容的变化。目前的分辨率间距为2.0mm~2.5mm。由于可以随时间变化进行检测,所以可以将压力变化通过PC 等进行图形化。 

  PPS公司的日本代理表示,上述触觉传感膜已经被业界各厂商们广泛使用。现在的主要应用包括:汽车轮胎的抓地力、假牙的咬合力与舌压、燃料电池各单元之间的压力测量等,最近在美国已开始用于临场乳癌触诊及血压测量。一般来说,乳癌触诊必须要有一定经验,但通过用传感器将经验数值化之后,就可以将诊断水平标准化。当做为血压计使用时,传感器可通过脉搏波形的细微变化判断出血管年龄。 

追求易用性 

  在触觉传感器的应用方面,最近备受关注的应该是手机。日本鸟取三洋电机与三洋电机集团领先其他公司一步,率先在手机上安装了触摸传感器,而且并不是用于液晶屏,而是用在拨号键盘上。该功能被称为Smooth Touch,只需要用手指触划就可以输入文字或进行拍照等操作。最初是在于2006年10月上市的W42SA 手机上集成了该功能,之后的W54SA、W61SA上也集成了同样的功能,以带给用户更人性化的操作体验。 

  三洋电机在收集了手机用户的反馈意见后发现,如果是在液晶屏上安装触摸传感器,大多数用户会不太习惯用两只手使用手机的方式,而且还有人觉得用手指触摸很容易弄脏屏幕。因此,该公司就不再让人适应设备,而是采取了新的方式,让设备迎合人的习惯。Smooth Touch 功能据说可以单手操作。 

不接触外壳也可以操作 

  三洋电机并未公布开发触摸传感器的具体公司。但像这种嵌入在设备外壳上的触摸传感器大多是静电容量型产品,如意法半导体、日本阿尔卑斯电气等公司开发的产品。静电容量型产品的特征是可以通过塑料外壳检测到手指。只要人的手指接近,就可检测出电场的变化。因此,无需直接接触传感器就可以对人的手指做出反应。 

  在CEATEC JAPAN 2007展会上,以日本阿尔卑斯电气公司为首,多家公司都进行了静电容量型触摸传感器的现场演示,演示中手即使离机壳15cm~20cm,也可以操控游戏。虽然传感器元件自身也进行了一定的完善,但最主要的是利用了错误校正电路,目前已经可以检测出100aF左右的微小静电容量的变化。 

类似人类感官的高灵敏度 

  也有企业在开发类似人体感官的传感器触觉结构。CMC技术开发公司就利用被称为CMC 的线圈状碳纤维制作了多款触觉传感器(见图6)。所谓CMC就是将2 根直径约1μm 的碳素纤维绕合成线圈状,线圈直径大约5μm~10μm,长度约300μm。  

      CMC的形状与人类触觉感官之一的触觉小体基本相同。该公司将CMC嵌入到硅橡胶里开发出新的触觉传感器,用来对橡胶所加载的数百kHz 的交流电场的波形变化进行频率分析,然后测得其频谱模型。CMC技术开发公司董事长河边宪次宣称:“1 个CMC 实际上就是一种LCR电路,传感原理与使用CR电路的静电容量型产品相近。” 

  使用CMC 的优点就是其体积很小,仅有0.1mm2,但灵敏度非常高。其最小感知压力为1Pa,最小感知位移为 0.1μm。并且与静电容量型传感器一样,无需直接接触,只要把手靠近,就可检测到手的接近。而且,当刺激不同时,也会显示不同的波形,所以可以分辨刺压、摩擦的细微区别。如果能使传感器元件表面像人的指纹一样凹凸不平,那么灵敏度将更高。 

  还有一种在橡胶里加入碳素粉末的触觉传感器,被称为感压导电橡胶,根本无需使用CMC。不过,感压导电橡胶的传感方式不同,是根据应力检测电流的变化。因此如果要保证灵敏度,传感器大小就需要几mm。 

  CMC技术开发公司已经开发了多款产品,准备用于各种设想的应用,现正处于样品出货阶段。例如,可装在电梯门或机械臂上,用来检测人手的接近,以防止夹伤手;或者装在医用导管上,用来检测血管壁与导管的接触情况。

模仿可读盲文的手指 

  另外,科学家们还在尝试模仿其他人类触觉的研究。例如,人指的触觉功能不光是接触与压力,还包括可以检测温度的温觉,而且具有很强的空间分辨能力,可以区分1mm~2mm 的凹凸。 

  日本丰桥技术科学大学电气电子专业准教授高尾英邦所领导的研究小组,已实现了人指的温觉及空间分析能力,接下来的目标是开发具有时间分析能力的超越人类感觉的触觉传感器。 

  目前该小组已经制作了多个可感觉温度并分辨细微空间差别的触觉图形传感器。该传感器有几mm2,其中排列了36 个像素,每个像素的大小约为150μm2~420μm2。每个像素里集成了应力传感器与温度传感器(见图7a)。在该传感器中,传感器元件呈阵列状排在感应面,当元件内部形成空气压时,感应面会凸出。设计的原理就是通过凸出的感应面压向接触面,从而测量凹凸及温度等。 

  应力传感器采用了硅压阻元件。当硅压阻元件的硅受到应力时,电阻就会发生变化。应力传感器就是利用这一原理进行检测的。温度传感器所采用的热电偶使用了PIN硅。整个芯片采用Post CMOS 工艺制造。 

  高尾英邦表示,目前该芯片已具有足够的分辨率,可以嵌入IC 卡用于指纹识别、或用于读取点字。目前每个像素的小型化目标是100μm2,将来还可以更小。高尾英邦还表示:“MEMS的高度一般只有几μm,如果可以用来分辨如此细微的凹凸,那么现在由于原子力显微镜(AFM)过大而无法使用的场合,或者无法测量非常狭小部位的问题,全部都将得以解决。” 

  另一方面,其时间分析能力大约为2kHz 左右, 已经超过人指约1kHz 的时间分析能力(见图7b)。不过,该传感器现在对于音压的灵敏度仍然较低,如果能进一步提高灵敏度,将来应该可以取代硅麦克风。  

      高尾英邦所领导的研究小组目前正研究的课题是如何解决接触时易损坏的问题,还有电路板的柔性化问题。虽然加厚接触面的覆盖膜可以提高耐久性与耐伤性,但会降低空间分析能力。 

增大面积时布线大幅增加 

  目前业界也正在研究如何增大面积,也就是将上述触觉传感器遍布到电子设备的外壳、显示器、墙壁等,以及如何通过小型化、高集成化来达到可与人指媲美的感应能力。但是,大面积化与集成化实际上是有冲突的,这就是安装传感器时布线数过多的问题。克服这一问题虽然有多种方法,但尚未有最终结论。 

  日本电气通信大学智能机械专业教授下条诚认为,人指触觉小体的密度大约是1500 个/cm3,再加上其他感觉器官及负责感应痛觉的游离神经末梢,人手上大约有1.7万根神经纤维。这种结构很难通过传感器实现。 

  目前一种方法是采用动态矩阵。动态矩阵与采用X、Y布线连接各传感器的图像传感器一样,都使用了TFT(薄膜晶体管)。但此方法有一个缺点,当增加传感器数量时,扫描时间会变长,因此会降低应答速度。据说一般机器人的应答速度都大于1ms。 

  另一种方法就是利用无线技术。东京大学大学院信息理工系研究科系统信息学专业准教授筱田裕之开发了直接使用RF 信号的二维通信膜,虽然是有线的,但传感单元之间无需布线。不过,无线主要是面向广播或多播通信,所以怎样区分每个传感单元,以及怎样避免通信堵塞都是需要解决的课题。 

  此外还有一种方法是:当需要特别高的空间分析能力时,采用阵列式传感器;而无需高空间分析能力时,就干脆减少传感器的密度。人体本身其实也采用了这种方式。日本丰桥技术科学大学的高尾教授也采取了这种方法,但当应用面积大大超过人体面积时,还是有局限性。 

  电气通信大学下条教授的研究小组与日本藤仓公司开发了新的传感器元件,不管在多大的面积上,都只需4根布线,并且不会影响应答性与分辨率。该技术将电流的面积积分改写成一元积分,然后根据流过触觉传感膜周围的电流,计算出人与物体所接触的位置。其重点在于计算出电流动量重心。下条教授的研究小组正在开发应用此技术的系统,在走廊下全部铺上触觉传感膜,并根据走路方式的不同来识别人。 

  但这种方式仍然有缺点,它无法同时检测多个接触点的位置。不过,如果将布线数增加到7根,就可以克服此缺点,该技术据说已经成熟,并且成功制作了样品。

嗅觉 活用气味中的信息 

  人们开始渐渐了解生物嗅觉的真谛及隐藏在各种气味里的信息。模拟嗅觉功能的传感器发展也与此步调一致,应用于各领域的机会进一步扩大。 

  人类并不能有意识地发出特定气味。因此,嗅觉传感器应用于电子设备的用户界面时,与集成视觉、听觉、触觉传感器时的方法不同。人类利用设备的视觉、听觉、触觉,可以有意识地通过表情、声音、动作来控制设备。但是,以气味为媒介的用户界面,却可用来将人本身的状态通知给设备。设备通过人类发出的气味得到相应信息,从而做出判断要执行什么样的动作。比如,集成嗅觉传感器后,设备就可以诊断疾病。 

两大应用 

  用传感器检测气味的方法主要分为两种(见图8)。其中一种是气体传感器,其采用多个对特定气体浓度可做出反应的传感器,来检测发出气味的味源物质浓度。另一种方法就是模拟人类嗅觉功能的生物传感器。前者已经开始实用化,后者尚处于研发阶段。  

      由于气体传感器在各行业已经开始使用,所以嗅觉传感器比较容易进入实用化。再加上其不仅能检测气味,还可以检测出特定物质,所以应用范围很广。不过,在使用气体传感器时,由于产生气味的物质有很多种,所以需要根据物质的种类并用多个传感器。像咖啡、牛肉、啤酒等近1000种气味的味源物质已被确认。实际上,为了使测量结果接近于人类的感官评价值,在选择气体传感器时需要一定的经验。 

  此外,还需要使用被称为主成分分析的统计方法以及神经网络等,用于识别味源物质的结构与气味的对应关系。此类应用大多是工业用大规模分析设备或者特定应用范围的小型设备。 

  另一方面,如果使用生物传感器,那就可通过检测结果与气味的对应关系再现人的感觉。不过,现在的气体传感器尚未达到那种高度逼真的程度,将来是否能实现也尚未明确。对于嗅觉结构来说,目前仍处于初级研究阶段,还没有办法完全模拟。 

通过分析技术提高选择性 

  以气体传感器为基础的工业用嗅觉传感器已经上市,在实际应用中主要用来开发食品等。 

  气体传感器技术开发的关键在于提高灵敏度与选择性。随着分析结果与气味之间对应关系的建立、以及主成分分析等模式识别技术的进步,性能方面已经大幅增强。 

  气体传感器有半导体式、电气化学式、接触燃烧式等多种类型(见图9),各类传感器可检测的气体浓度范围及使用性各不相同。其中嗅觉传感器大多采用了半导体气体传感器。  

       一般来说,大多数气体传感器的能力弱于生物嗅觉的灵敏度。但是,虽然其他类型的气体传感器无法检测低浓度的味源物质,但高灵敏度的半导体气体传感器可以实现低浓度检测。浓度仅2 0 p p b ~30ppb(10 亿分之1)硫化氢气就能造成工厂恶臭,此种气体及VOC(有机挥发物)等都可以用半导体气体传感器进行检测。 

  半导体气体传感器不光灵敏度高,而且应答速度快,稳定性也好,而且容易维护。日产汽车开发了新的系统,通过检测酒精浓度来防止酒后驾驶。   

  不过,半导体气体传感器的选择性较差,也就是说,在区别不同种类的气体时,其检测能力较差。但是,最近信息处理技术的发展已经可以弥补这一缺陷。例如通过比较多个不同特性的传感器所输出的结果,并进行主成分分析等,然后换算成所检测气体的浓度。虽然传感器元件仍是原来的产品,但识别气体的能力得到了提高。 

  使用了上述半导体气体传感器的嗅觉传感器已经上市,目前主要用于食品的开发及品质管理。在日本,市场占有率最高的是岛津制作所的FF-2A(见图 10),该装置可以通过咖啡的香味来区分是摩卡咖啡还是乞力马扎罗咖啡。FF-2A 内安装了10 个半导体气体传感器,可以检测硫化氢类、硫黄类、氨类、胺类、有机酸类、醛类、酯类、芳香族类、碳化氢类等9种类型的气味,并能将分析结果用雷达图表示出来。  

区分疾病的气味 

  最近嗅觉传感器在医疗领域的应用引起人们关注,其原理就是当人类生病时会发出各种气味,不同疾病的气味不同。 

  幽门杆菌是引起胃炎与胃溃疡的主要原因。目前已有半导体气体传感器可以检测CO2(二氧化碳)的浓度,从而判断此病菌是否存在。而且此类气体传感器已经应用到设备上,在日本已认定为医疗设备。在美国等国家也在进行各种疾病与气味关系的研究,并在讨论是否适用于实际诊断(见表2)。  

       如果小型嗅觉传感器真能检测呼出气体中所含有的疾病气味,那么就可以用手机进行日常的健康诊断。而且,如果有日常健康状态的数据,一旦患病时,也更能对症治疗。 

发出气味的电视 

  在嗅觉传感器应用方面,气味显示屏也备受人们关注。通过此类传感器可将气味数值化,并可以进行保存、传输等。它可用来将多种气味混合制作出好闻的气味,或者使电视可以根据播放的图像释放出相应的气味。以大学为首,已有多家研究机构加入相关技术的开发行列。 

  东京工业大学准教授中本高道所领导的研究小组就研发了再现气味的技术,可将发送方嗅觉传感器所检测到的气味数值化,然后在此基础上对32种主要气味成分进行调配,从而人工再现气味。虽然味源物质少于实际水果所含的物质,但已经可以基本仿真原物的气味。(未完待续)

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