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壓阻式傳感器安裝在模型機器人手的手指上

  一種如同皮膚般的高分子材料正在使用碳納米管給機器人和假肢裝置帶來觸摸的感覺。由斯坦福大學和施樂公司帕洛阿爾托研究中心的研究人員開發(fā)出來了一種高分子皮膚，這種數(shù)字觸覺系統(tǒng)（DiTact）包含了加入碳納米管的壓力傳感器和靈活的有機印制電路，用來模仿人類的反應(yīng)。

  研究團隊表示他們的目標就是制造一種能像人體一樣傳遞信息的傳感器皮膚。這個目標是使裝在假肢上的皮膚能以自然的方式感覺到觸摸，并且將這些信息傳達給戴著假肢裝置的人。

  在人體內(nèi)，皮膚中的受體如同發(fā)送摩爾斯電碼一樣直接向大腦中傳遞一系列電壓脈沖式的遙感信息。而之所以努力嘗試使人工設(shè)備具備觸覺傳感能力，是為了提高殘障人士對假肢的控制和減輕他們的幻肢痛。但是到目前為止人工皮膚設(shè)備不得不使用電腦或微處理器來使傳感器輸出的信號與神經(jīng)元兼容。

  與此相反，最新的研究成果是使系統(tǒng)結(jié)合了帶有嵌入式壓阻壓力傳感器的柔性電路層。傳感器是由碳納米管復合分散在一個靈活的聚氨酯塑料中并被塑造成金字塔結(jié)構(gòu)。這種金字塔形狀是至關(guān)重要的，因為它允許傳感器的感知區(qū)間與皮膚能感受的壓力范圍相匹配。

  該設(shè)備操作簡單: 傳感器上的壓力擠壓碳納米管使之相互接近，以便電流流過。壓力的變化直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，其中頻率隨強度的刺激而變化，以模仿皮膚中觸覺感受器的行為。

  該團隊表示，當將這種裝置放入實際設(shè)備如假肢或穿戴設(shè)備中時，傳感器可以檢測到柔軟的觸感和堅定有力的握手之間的區(qū)別。而在使用噴墨打印技術(shù)制造的內(nèi)含可伸縮銀納米線導體的柔性有機電路層后，傳感器產(chǎn)生的信號可以從外部導入。系統(tǒng)的數(shù)字信號甚至可以如同光信號和電信號一樣直接刺激小鼠腦組織神經(jīng)元。


  通常連接大腦的假肢裝置是通過電刺激完成類似的工作的。但是有趣的是，該團隊嘗試了稱為 ”遺傳學刺激“的技術(shù)，用數(shù)字信號用來調(diào)節(jié)LED光源，使之通過光活化的離子通道產(chǎn)生神經(jīng)放電。

  相關(guān)人員表示，新的系統(tǒng)存在一些優(yōu)勢，其簡單傳遞信息的方法是大腦細胞能夠理解的。而由于它是由塑料材料制造的，其成本會大大降低。而且傳感器對噪聲不敏感，信息可以被傳遞到很遠而依然準確。

  就像真正的皮膚一樣，DiTact也非常高效。根據(jù)研究人員的計算，他們的系統(tǒng)能夠在相當于一個iPhone電池的電量下工作500天。該小組現(xiàn)在正在努力減少傳感器的尺寸和提高其靈敏度來改善系統(tǒng)，以便能從簡單的靜態(tài)壓力中區(qū)分更細微的移動刺激 (例如撫摸) 。

  相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Today上，論文地址：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013215300670