仿生學(xué)已經(jīng)成為人工皮膚技術(shù)的一個新興領(lǐng)域,它引領(lǐng)了材料設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建的創(chuàng)新,目的是真正模仿人類皮膚的觸覺感知能力。人類皮膚由于其有趣的結(jié)構(gòu)和功能特征而成為靈感的來源。研究發(fā)現(xiàn),皮膚內(nèi)部的表皮和真皮層是由具有“互鎖”架構(gòu)的交錯真皮乳頭陣列形成的。一方面,這些真皮乳頭賦予表皮-真皮界面更大的表面積,允許更多的神經(jīng)末梢和機械感受器分布在其中;另一方面,“互鎖”架構(gòu)有助于集中和放大局部應(yīng)力;通過這兩方面的協(xié)同作用,大大提高了皮膚的觸覺感知能力。當(dāng)皮膚與物體接觸時,真皮乳頭會感覺到應(yīng)力或變形,并將其轉(zhuǎn)化為生物電信號,進而傳輸?shù)酱竽X的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過復(fù)雜的分析、處理和學(xué)習(xí),可以獲得更深層且很難直接測量的觸覺信息,如形狀和紋理。從中汲取靈感,利用不斷發(fā)展的人工智能技術(shù)構(gòu)建模仿人類感知過程的智能感知系統(tǒng)。然而,一些人類難以實現(xiàn)的感知能力,例如對外觀難以區(qū)分的物體的材料感知,仍然極具挑戰(zhàn)性。盡管近年來開發(fā)了各種感知材料種類的技術(shù),但這些技術(shù)仍然存在局限性。因此,迫切需要一種具有高度普適性和競爭力的材料感知方法來填補當(dāng)前智能感知領(lǐng)域的技術(shù)空白。
直覺作為一種超越人類傳統(tǒng)五官的感知能力,可能包括對未來事件、隱藏信息或其他超自然現(xiàn)象的感知,也稱為第六感或超感官感知。在自然科學(xué)中,直覺通常與磁場/電場有關(guān),例如潛意識中可能出現(xiàn)的對危險的敏感性和對未知事物的警覺。這或許是因為大腦捕捉到周圍環(huán)境中磁場/電場的微弱干擾,但人類目前無法自由利用直覺進行感知。電容e-skin是一種能夠?qū)⑼獠拷佑|/非接觸刺激轉(zhuǎn)換為電容信號的器件,具有獨特的邊緣電場,在以前的研究中經(jīng)常被認(rèn)為是一個缺陷。然而,在人類直覺的啟發(fā)下,它或許可以利用不同物體逐漸靠近時產(chǎn)生的不同程度的邊緣電場擾動來實現(xiàn)材料感知。這主要有兩個原因:i)絕大多數(shù)物體的介電常數(shù)不同,導(dǎo)致在邊緣電場中表現(xiàn)出干擾的能力不同;ii)擾動的邊緣電場可以以寄生電容的形式定量反映,可以更直觀地驗證感知情況。因此,基于以上兩點,電容式e-skin可能成為一種具有高度普適性和競爭性的材料感知的潛在方法。為了進一步優(yōu)化材料感知的識別精度,排除介電常數(shù)相似材料的影響,希望結(jié)合基于軟/硬度特性的材料感知方法,構(gòu)建一個兼具直覺和觸覺雙模傳感的智能材料感知系統(tǒng)。毫無疑問,開展仿生e-skin及其智能感知系統(tǒng)的研究,必將對基于人工智能的智能感知領(lǐng)域起到重要的補充和推動作用,全面推動智能化進程邁向新時代。
圖1基于AFB e-skin的智能材料感知的示意圖
圖2 AFB e-skin的直覺傳感特性
圖3 AFB e-skin的觸覺傳感機制
圖4 AFB e-skin的觸覺傳感性能
圖5 智能材料感知系統(tǒng)演示
全文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202308127
通訊作者介紹
李陽 教授 山東大學(xué)
李陽教授,山東大學(xué)集成電路學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,IEEE高級會員,科技部中韓青年科學(xué)家、山東省泰山學(xué)者青年專家、山東省高校集成電路創(chuàng)新團隊帶頭人、山東省優(yōu)青、山東省青年科技人才托舉工程入選者、齊魯青年學(xué)者,主持國家自然科學(xué)基金項目、科技部項目、山東省優(yōu)秀青年基金項目、山東省重點研發(fā)計劃項目等省部級以上項目10余項。主要研究領(lǐng)域:新一代半導(dǎo)體材料與器件;“傳感存算一體化”芯片系統(tǒng)。已累計發(fā)表SCI檢索論文100余篇,其中以第一作者/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等領(lǐng)域內(nèi)頂尖期刊上發(fā)表中科院一區(qū)文章45篇,包含封面文章10篇,授權(quán)國家發(fā)明專利15項,韓國發(fā)明專利11項。
張其沖 研究員 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
張其沖,現(xiàn)任中國科學(xué)院科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員。2017年于同濟大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位,隨后在新加坡南洋理工大學(xué)從事博士后研究和東南大學(xué)擔(dān)任研究員,2021年11月入選中國科學(xué)院“率先行動”引才計劃。主要從事纖維狀電子器件及多功能集成,以第一/通訊作者共發(fā)表SCI論文50余篇,包括Chem. Rev. 1篇、Adv. Mater. 3篇、Mater. Sci. Eng. R Rep. 1篇、Matter 1篇、Nano Lett. 3篇、Adv. Energy Mater. 3篇、ACS Nano 4篇、Adv. Funct. Mater. 5篇、ACS Energy Lett. 1篇、Nano Energy 6篇、Adv. Sci. 2篇、Energy Storage Mater. 3篇等,共計發(fā)表SCI論文100余篇,H因子45,ESI高被引論文10篇,論文引用5700余次,撰寫英文學(xué)術(shù)專著Advanced Fiber Sensing Technologies一個章節(jié)。擔(dān)任Adv. Fiber Mater.、InfoMat、Nano-Micro Lett.和The Innovation等期刊青年編委。
金南英 (Nam-Young Kim) 教授 韓國光云大學(xué)
金南英教授,韓國光云大學(xué)電子工程系教授,RFIC中心創(chuàng)始人。主要研究領(lǐng)域:射頻和生物傳感器及其應(yīng)用。已累計發(fā)表SCI檢索論文255余篇,出版著作33本,授權(quán)韓國發(fā)明專利215項。
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