#Staff Column
2022.07.29
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https://stories.amorepacific.com/zh/%e6%a8%a1%e6%8b%9f%e4%ba%ba%e7%b1%bb%e8%a7%a6%e8%a7%89%e7%9a%84%e4%bc%a0%e6%84%9f%e5%99%a8%e7%a0%94%e5%8f%91%e8%ae%b0
模拟人类触觉的传感器研发记
Columnist | 介绍爱茉莉太平洋员工撰写的专栏
传感器与化妆品 第2期. 模拟人类触觉的传感器研发记
Columnist | 徐瀞恩
Amorepacific R&D Strategy Lab
Amorepacific R&D Strategy Lab
# INTRO
我们在拿到新化妆品之后做的第一件事，就是用指尖取一些产品到手背上，然后涂抹拍打进行感受。通过触觉感受化妆品、寻找自己喜爱的使用感这一过程可以说是化妆品带来的另一种愉快体验。
# 模拟人类触觉的传感器研发记
人体皮肤是一种非常理想的触觉传感器。它能够在接触时，收集物体的温度（热传导度）、力量分布、平滑程度和振动等信息。如果能将带有类似功能的触觉传感器安装在仪器上，那么就可以大幅降低仪器与使用者之间的交互难度。
触觉传感器的研究方向包括两部分，一个是引入功能性材料与新的构造提升传感器的敏感度；另一个是构建一个可以感应到压力、温度、振动和湿度等各种刺激的多功能触觉传感器系统。在人型机器人领域，研究人员也在不断地研发着模拟人类触感的传感器。
测量固体、纤维等材料质感的传感器还有润滑油摩擦力、流动性液体的研究比较常见，但在暴露于空气中的环境下，能够测量不同流动性液体组合成的不同使用感的触觉传感器还没有报告先例。因此，为了对顾客化妆品使用体验中产生着重要影响的使用感进行数字化处理，我们需要研发公司自己的定制型传感器技术。
我们在拿到新化妆品之后做的第一件事，就是用指尖取一些产品到手背上，然后涂抹拍打进行感受。通过触觉感受化妆品、寻找自己喜爱的使用感这一过程可以说是化妆品带来的另一种愉快体验。
# 模拟人类触觉的传感器研发记
人体皮肤是一种非常理想的触觉传感器。它能够在接触时，收集物体的温度（热传导度）、力量分布、平滑程度和振动等信息。如果能将带有类似功能的触觉传感器安装在仪器上，那么就可以大幅降低仪器与使用者之间的交互难度。
触觉传感器的研究方向包括两部分，一个是引入功能性材料与新的构造提升传感器的敏感度；另一个是构建一个可以感应到压力、温度、振动和湿度等各种刺激的多功能触觉传感器系统。在人型机器人领域，研究人员也在不断地研发着模拟人类触感的传感器。
测量固体、纤维等材料质感的传感器还有润滑油摩擦力、流动性液体的研究比较常见，但在暴露于空气中的环境下，能够测量不同流动性液体组合成的不同使用感的触觉传感器还没有报告先例。因此，为了对顾客化妆品使用体验中产生着重要影响的使用感进行数字化处理，我们需要研发公司自己的定制型传感器技术。
＜图1 使用感数字化带来的制造业数字化转型＞
由韩国标准研究院团队研发的触觉传感器（图二）可以在接触物体时，像人手一样根据物体材质来掌握粗糙度、摩擦力、温度和强度等多种触觉信息。另外根据团队的发表内容可知，利用高性能半导体硅胶制作的传感器具有超越人类皮肤的敏感度，能够将测量值转变为数字加以保存，因此拥有更优于人体的物体辨别性能。研究团队在持续试验纤维、木材和塑料等25种以上不同样本后确认，传感器拥有98%以上的高度准确率。为此我们也与团队进行了会议，但结论是这种传感器虽然感知干燥表面的起伏和凸起方面比人体优秀，但很难区分化妆品之间的差异。团队人员对此进行了多次尝试却未果，除非开发出有针对性的传感器，否则很难实现成功。
＜图2 韩国标准研究院开发的人型触觉机器人系统，可以测量物体表面强度、温度、粗糙度和摩擦力＞
在与众多专家研讨后我们意识到这是一条艰难的研发之路。但我们没有就此放弃，仍然不断地在寻找研发伙伴。之后了解到了蔚山科技院的一位教授与他的优秀技术。我们委托教授测试了三个不同样本的使用感，结果令人十分欣喜，教授不仅成功地区分了三者，还对于课题有着很高的认识与见解。由于教授要在安息年（sabbatical year）前往美国，所以与教授的共同研究计划将于一年后正式启动。
首次将“清凉感”转为数字化的传感器
＜图3 皮肤的感温通道和模拟皮肤的电子皮肤模式图＞
在不同的质地带来不同的皮肤使用感中，我们将皮肤温度随着水（乙醇）溶媒蒸发下降时产生的使用感定义为“清凉感”，并将其列为专业面板的十七个评估项之一进行了测量。（薄荷醇类物质也能产生清凉感，但此类清凉感被排除在评估项之外。）
人体皮肤使用的是汗液蒸发带走体表温度的气化降温机制。有很多产品利用这个原理实现皮肤清凉感并降低皮肤温度，阻止热老化。用红外线摄像仪即可观察并测量到此类温度下降的变化。研究人员可以借助红外线来数字化表示某一部分皮肤的温度等高线等，但最近通过电子皮肤来实时感知温度变化并加以数字化处理的传感器研究案例也越来越多。测量化妆品清凉感的传感器需要捕捉到涂抹在皮肤上的不同溶媒产生的细微蒸发热量，因此必须使用敏感度卓越的温度传感器。
人体在涂抹产品后感受到的清凉感将视产品质地的框架从而呈现出不同的效果维持时间与程度。虽然我们只能用“清凉”一词来统一描述涂抹后的感受，但为了让顾客感受到最佳的触觉体验和差别，我们不仅需要分析各质地，还需要从原料端出发分析其特性与组合特性。因此我们决定 制作适用于分析化妆品的温差传感器 ， 将这些数据 应用到新质地的研究和预测中 。
像皮肤一样实时敏感捕捉温度变化的传感器
为了测量涂抹产品时感受到的清凉感，需要满足几个必要的条件。
能够实时（Real-time Monitoring）测量0.1℃以下的温度变化
不受外部涂抹按压的力量与溶媒（流动电流）产生的阻抗的影响
大部分导电性传感器的阻抗在受热条件下产生变化，因此其同时测量热量与压力的特性并非优点。当发生某种阻抗变化时，这样的传感器难以判断是由哪种物理性变化引起的，如此感应出来的分辨率结果也不准确。引起较大变形和变形次数较多的时候，变化本身就会因材料的发热特性而引发阻抗的变化，因此想要开发模拟皮肤的测温触觉传感器， 最重要的就是具备不受压力影响但对温度非常敏感的性能。
不受外部涂抹按压的力量与溶媒（流动电流）产生的阻抗的影响
大部分导电性传感器的阻抗在受热条件下产生变化，因此其同时测量热量与压力的特性并非优点。当发生某种阻抗变化时，这样的传感器难以判断是由哪种物理性变化引起的，如此感应出来的分辨率结果也不准确。引起较大变形和变形次数较多的时候，变化本身就会因材料的发热特性而引发阻抗的变化，因此想要开发模拟皮肤的测温触觉传感器， 最重要的就是具备不受压力影响但对温度非常敏感的性能。
(1) 拥有0.1℃以下温差敏感度的最佳传感器结构
半结晶性高分子具有达到接近熔点时体积大幅变化的特性，因此制作成复合材料时对温度敏感度较高。基于这一特性，我们将半结晶性高分子的聚环氧乙烷(polyethylene oxide, PEO)加入到rGO/PVDF复合材料中，制作出了高敏感度温度传感器。（图4）
半结晶性高分子具有达到接近熔点时体积大幅变化的特性，因此制作成复合材料时对温度敏感度较高。基于这一特性，我们将半结晶性高分子的聚环氧乙烷(polyethylene oxide, PEO)加入到rGO/PVDF复合材料中，制作出了高敏感度温度传感器。（图4）
＜图4 具有半结晶性体高分子的温度传感器照片与模式图＞
图四右侧图显示的是高敏感度温度传感器的感应机制。具有半结晶性高分子的温度传感器的阻抗在石墨烯（由碳原子构成的薄膜）特有的负温度系数（negative temperature coefficient，NTC）作用下减小。不仅如此，半结晶性高分子在温度变化下膨胀，使周围石墨烯间距变得更小，传感器的阻抗由此发生大幅变化。加入半结晶性高分子的温度传感器比未加入的传感器，温度敏感度高出15倍左右，因此可以实时感应到0.1℃的细微温差。（图5）
＜图5 具有半结晶性高分子的温度传感器的特点＞
(2) 不受外部涂抹按压力量或溶媒（流动电流）影响的传感器结构
若要传感器感应涂抹化妆品后的清凉感，最大程度地减少压力、弯曲等触觉刺激引发的反应非常重要。具有半结晶性高分子的温度传感器能够在保证超薄厚度（～30μm）的同时，通过引入共面（co-planar）形态的电极忽略压力和弯曲等刺激引发的反应。（图6）
若要传感器感应涂抹化妆品后的清凉感，最大程度地减少压力、弯曲等触觉刺激引发的反应非常重要。具有半结晶性高分子的温度传感器能够在保证超薄厚度（～30μm）的同时，通过引入共面（co-planar）形态的电极忽略压力和弯曲等刺激引发的反应。（图6）
＜图6 传感器的测温过程不受压力和弯曲力量影响＞
从化妆品中感受到的清凉感会根据其组成成分而有所不同，最大的因素就是化妆品溶媒能够引发清凉感，因此区分感应不同溶媒是化妆品清凉感测量传感器的必备性能。化妆品溶媒主要是水和乙醇，将这种溶媒直接滴在温度传感器上时，因为有电流从溶媒通过，我们很难测量蒸发热量引起的温度变化。想要阻止溶媒直接接触PDMS（众所周知的硅胶材料）的同时感应溶媒细微的蒸发热量，就要在传感器上增加薄膜保护层，这就是使用了涂布DMS的原因。（图7）
＜图7 清凉感测量传感器上用于评估溶媒感应性能的保护膜＞
为了评估清凉感测量传感器的性能，我们滴落了温度各异的水滴并观察了水滴的温度变化。结果准确且快速地显示，当30℃、40℃和50℃的水接触传感器时，温度急剧上升后自然降下。（图8）
＜图8 清凉感测量传感器的溶媒感应性能评估＞
不同种类的溶媒有不同的蒸发热量，因此蒸发时体验到的清凉感也不相同。我们研发的清凉感测量传感器能够区分感应滴落不同溶媒时皮肤感受到的清凉程度（图8）。右图显示的是不同溶媒的区分感应结果，从中可以看出峰值（peak）随不同的蒸发热量发生着变化，而且在不同的蒸发速度下恢复到没有阻抗状态的时间也有所不同。
现在
以上就是基于模拟人体细微触觉的传感器结构、爱茉莉太平洋R&I的研究经验与顾客使用感数据研究出的清凉感预测机制。共同研究结果已于今年二月份发表在《ACS Nano》杂志。此外，爱茉莉太平洋R&I还构建了用于测试的设备，持续展开研究。我们将继续开展使用感研发项目，通过包括清凉感在内的多种触觉研究，为顾客带去更愉悦的体验。
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