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南洋理工大學王一凡團隊 Small：可用于壓力檢測和接近感應的新型人造皮膚
2023-01-29  來源：高分子科技

  人造皮膚(Artificial Skin)通過其在智能機器人，人機交互以及虛擬/增強現(xiàn)實領域的廣泛應用，已經徹底改變我們的生活。人造皮膚的最初發(fā)展目標，是為了在合成系統(tǒng)上實現(xiàn)天然皮膚的強大感應能力，目前為止，研究學者們在這個目標上已經取得巨大進步。目前的人造皮膚可以像天然皮膚一樣，將包括溫度、壓力/應力、濕度、表面性能，和其他生理指標等等環(huán)境參數(shù)轉換成數(shù)字信號。除了模仿自然皮膚之外，學者們正在嘗試新的突破，希望實現(xiàn)超越天然皮膚功能的新型人造皮膚。在這種背景下，開發(fā)出了具有雙響應模式的人工皮膚，這類皮膚可以同時賦予人類或者機器人觸覺(tactile)與非接觸(touchless)的感應能力。然而，盡管已經存在這些雙響應人造皮膚的報道，對于這些研究而言，應用大多局限于非接觸感知(proximity perception)或者接近開關(approach switches)。實際上，我們設想，來自環(huán)境的近端(proximal)輸入應該可以傳遞關于目標本身的更多有價值的信息，例如物質組成和類型，而這些在以前的研究中總是被忽視。


  針對此，新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院王一凡助理教授團隊開發(fā)了一種離子型的雙響應的人造皮膚(iontronic dual-responsive artificial skin)。這種人造皮膚不僅可以靈敏地檢測外部的壓力水平，還可以探測環(huán)境中的近端接觸事件。利用多孔材料和離子液體(ionic liquid, IL)，該電容型的人造皮膚具備了非常高的探測靈敏度；谌嗽炱つw傳感陣列，作者進一步構建了雙模態(tài)控制面板，開發(fā)了可訪問的人機界面。文章中演示了該人造皮膚的一系列應用，包括虛擬游戲角色的操作、電子地圖的導航以及電子書的滾動瀏覽。更重要的是，通過將人造皮膚安裝在機器人系統(tǒng)上，作者概念性地展示了一種非接觸的材料分類系統(tǒng)。相關成果以“A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces”為題發(fā)表在《Small》期刊上。該文章第一作者為博士后王海露，通訊作者為南洋助理教授王一凡。


圖1 人造皮膚的基本結構和概述。a)人造皮膚功能的概念性展示。b) PDMS海綿多孔蓬松結構的SEM圖像(比例尺:300μm)。c)導電織物電極表面形貌的SEM圖像(比例尺:200μm)。d)制備的多孔PDMS海綿狀實體的照片(比例尺:1厘米)。 


圖2 a) 人造皮膚在觸覺感應模式下的工作原理和等效電路。b)不同IL含量的樣品的靈敏度響應。c) 傳感器在不同壓力下的實時電容響應。d-e)不同IL含量多孔PDMS樣品的力學性能和介電性能。f) 傳感器在工作超過11 800次循環(huán)后的耐久性測試。g) i-DAS的傳感性能與以往工作的比較。 


圖3 a) 人造皮膚非接觸探測的工作原理及等效電路。b-c)人造皮膚在檢測 PTFE薄膜和銅薄膜靠近時的傳感能力。d)機器人手指靠近、接觸和遠離人類手指時電容的實時變化。e)人造皮膚在探測不同接近目標時的電容變化。 


圖4 a) 基于人造皮膚的多功能應用展示。a) 操作電腦游戲的雙？刂泼姘骞ぷ髁鞒虉D。b)在 低速和高速模式下觸發(fā)游戲角色移動的演示，動作指令分別由人類手指靠近和觸摸觸發(fā)。c) 演示電子地圖導航和d)電子文檔滾動瀏覽。 


圖5 a) 基于人造皮膚的非接觸材料分類系統(tǒng)。a)非接觸式材料分類的工作原理圖。b-d)演示人造皮膚成功分類聚合物，金屬和人體。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206830

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（責任編輯：xu）
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