寧波材料所陳濤/肖鵬團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：懸浮式雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中觸覺和痛覺的靈敏感知
仿生電子皮膚因其高靈敏度、機(jī)械適應(yīng)性和環(huán)境交互性等優(yōu)勢，在可穿戴電子、軟體機(jī)器人和人機(jī)界面等領(lǐng)域備受關(guān)注。作為電子皮膚的重要分支，基于多種感知機(jī)制的柔性觸覺傳感器已被成功開發(fā)并模仿人體皮膚的觸覺性能/功能。痛覺，作為另一種重要的感覺，它可以幫助人類有效避免潛在危險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。近年來，研究人員通過采用突觸型器件（如晶體管、憶阻器）或液態(tài)金屬復(fù)合材料開發(fā)了人工痛覺感受器，實(shí)現(xiàn)無害和有害的痛覺感知。然而，人體皮膚的感知系統(tǒng)并不局限于單一的觸覺或痛覺感知。相反，它表現(xiàn)出觸覺和痛覺感知功能的高效耦合。因此，在人工感知系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺集成感知引起了越來越多研究人員的關(guān)注。
目前，有兩種策略可以實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺集成感知。最經(jīng)典的方法是將力傳感器和突觸類器件結(jié)合，利用力傳感器的輸出控制晶體管或憶阻器的激活，從而實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺狀態(tài)之間的動態(tài)切換。另一種集成策略是構(gòu)建具有獨(dú)特電學(xué)響應(yīng)行為的一體式力傳感器，比如通過傳感組件之間的靈敏度差異或者靈敏度突變特性來響應(yīng)觸覺和痛覺。然而，上述兩種構(gòu)建策略都存在一些局限。以分散形式結(jié)合力傳感器和突觸器件會增加集成系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造難度。盡管一體式傳感結(jié)構(gòu)可以簡化耦合過程并實(shí)現(xiàn)高效集成，但目前的人工感知系統(tǒng)主要關(guān)注觸覺和痛覺的集成策略和耦合過程，而忽視了人體皮膚特有的感知性能和功能。如圖1a所示，在人體皮膚感知系統(tǒng)中，機(jī)械閾值誘導(dǎo)的受體激活是產(chǎn)生觸覺和痛覺的主要原因。此外，人體皮膚追求超靈敏觸覺和痛覺功能的高效集成，并通過電信號突變行為來指示兩種感覺之間的動態(tài)切換。因此，通過合理的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有靈敏觸覺和痛覺高效耦合的人工感覺系統(tǒng)具有重要的意義。
近期，中國科學(xué)院寧波材料所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬研究員基于在碳基/高分子復(fù)合彈性薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感方面的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種由石墨烯導(dǎo)電薄膜組成的懸浮雙層傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械閾值介導(dǎo)的觸痛高效集成感知。相比于單一懸浮構(gòu)型，雙層結(jié)構(gòu)利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機(jī)械接觸行為分別觸發(fā)低閾值和高閾值傳感模式，并以電流反向突變指示觸覺向痛覺的轉(zhuǎn)變（圖1b）。這種懸浮雙層電子皮膚可集成到機(jī)器手表面并用作安全的交流界面，實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)交互過程（圖1c）。該工作近期以題為“A Suspended, Three-dimensional Morphing Sensory System for Robots to Feel and Protect”的論文發(fā)表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2024）。
圖1. 具有觸痛集成感知的懸浮雙層電子皮膚及其友好人機(jī)交互應(yīng)用
為了構(gòu)筑懸浮雙層感知結(jié)構(gòu)，需要分別制備懸浮彈性形變層和機(jī)械接觸感應(yīng)基底（圖2）。首先，通過水/氣界面組裝策略制備了基本傳感單元 - 石墨烯薄膜。隨后，通過Ecoflex溶液原位不對稱功能化，形成具有嵌入式界面結(jié)構(gòu)的彈性石墨烯/Ecoflex Janus薄膜（GEJF），并將其共形粘附在中空柔性框架表面以形成懸浮彈性形變層。基于水/氣界面組裝體優(yōu)異的可轉(zhuǎn)移性，石墨烯薄膜還能通過界面轉(zhuǎn)移法直接貼附在柔性襯底表面。為了增強(qiáng)石墨烯片層在柔性襯底表面的附著能力，通過復(fù)刻砂紙表面粗糙結(jié)構(gòu)，最終形成具有微結(jié)構(gòu)表面的PDMS/石墨烯薄膜（mPGr）并用作機(jī)械接觸感應(yīng)基底。接著，將懸浮彈性形變層和機(jī)械接觸感應(yīng)基底面對面堆疊并通過柔性間隔層分離從而構(gòu)筑懸浮雙層感知器件（圖2f）。在壓力作用下，上層懸浮彈性薄膜發(fā)生三維形變來響應(yīng)低閾值介導(dǎo)的觸覺行為。當(dāng)上下兩層發(fā)生機(jī)械接觸后，電流會瞬間反向增大，進(jìn)入高閾值介導(dǎo)的痛覺階段，從而實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺的集成感知（圖2g和2h）。
圖2. 懸浮雙層器件的構(gòu)筑及其觸痛集成感知行為
首先對懸浮雙層感知器件機(jī)電響應(yīng)行為進(jìn)行了詳細(xì)研究（圖3a）。在雙層接觸前后，施加的壓力表現(xiàn)出了非線性變化特征。相應(yīng)地，電流呈現(xiàn)出了先減后增的突變行為，來指示觸覺向痛覺的轉(zhuǎn)變。痛覺閾值（Pth）對應(yīng)于上下兩層接觸瞬間的壓力值，通過改變懸浮薄膜厚度和間隔高度可以進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)（圖3b）。值得注意的是，在觸覺和痛覺階段，雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著串聯(lián)電路向并聯(lián)電路的切換（圖3c）。其中，懸浮薄膜的三維形變主導(dǎo)觸覺響應(yīng)，并通過橫向拉伸誘導(dǎo)石墨烯片層分離實(shí)現(xiàn)電流降低。當(dāng)雙層發(fā)生機(jī)械接觸后，建立的電接觸界面促進(jìn)電子縱向流動，從而實(shí)現(xiàn)電流反向增大（圖3d）。然而，這種信號突變指示的觸痛轉(zhuǎn)變行為受到了懸浮薄膜直徑和間隔高度的影響。隨著懸浮薄膜直徑減小或間隔高度增大，雙層接觸瞬間懸浮彈性薄膜自身電阻過大，導(dǎo)致電子難以流經(jīng)電接觸界面，電流將不再反向增大，痛覺感知行為逐漸消失（圖3e-g）。因此，觸覺與痛覺階段存在明顯的競爭關(guān)系，其中懸浮彈性膜三維形變引起的電阻變化對機(jī)械接觸后的痛覺響應(yīng)行為有顯著影響。
圖3. 非線性機(jī)械刺激誘導(dǎo)的觸痛雙模感知和競爭性響應(yīng)行為
接下來，對懸浮雙層器件的觸覺和痛覺響應(yīng)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。在觸覺階段，依賴于懸浮薄膜的三維形變行為，通過降低石墨烯濃度和彈性薄膜厚度可以明顯提高觸覺感知性能（圖4a和4b）。隨著壓力增加，懸浮薄膜的電阻逐漸增大，并表現(xiàn)出穩(wěn)定且可重復(fù)的響應(yīng)曲線（圖4c）。得益于懸浮結(jié)構(gòu)易形變的特征，懸浮雙層器件在觸覺階段具有0.12 s的快速響應(yīng)性能（圖4d）。同時(shí)，還能精準(zhǔn)追蹤步長為20 μm的動態(tài)加載過程（圖4e），甚至檢測超輕蚊子（0.02 Pa）的微弱靜態(tài)刺激（圖4f）。進(jìn)入痛覺階段后，隨著接觸壓力增大，GEJF和mPGr之間的電接觸位點(diǎn)急劇增加并逐漸飽和，因此總電阻在接觸瞬間急劇降低之后平緩變化（圖4g和4h）。由于GEJF中形成的半嵌入結(jié)構(gòu)和mPGr中微結(jié)構(gòu)的存在，保證了石墨烯納米片層在界面接觸時(shí)的穩(wěn)定性，懸浮雙層器件的疼痛響應(yīng)曲線隨接觸壓力增加表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能（圖4i），并在5200次連續(xù)的接觸-分離過程中展示出穩(wěn)定可靠的響應(yīng)性能（圖4j）。不僅如此，懸浮雙層器件還能通過電流的階級變化來響應(yīng)多級加壓過程，實(shí)現(xiàn)對正常觸覺和痛覺增強(qiáng)感知行為（圖4k）。
圖4. 懸浮雙層器件的觸覺和痛覺性能
進(jìn)一步，通過結(jié)合光學(xué)反饋模塊，懸浮雙層器件還能集成到假手表面，去模仿人體皮膚在接觸尖銳和平滑表面時(shí)的觸痛反應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)可視化感知（圖5a和5b）。具體來說，當(dāng)接觸尖銳物體表面時(shí)，懸浮彈性薄膜的形變程度更大，因此更容易發(fā)生機(jī)械接觸并產(chǎn)生信號突變，從而進(jìn)入痛覺階段，并點(diǎn)亮紅色LED燈發(fā)出疼痛預(yù)警（圖5c-e）。不僅如此，通過將間隔高度降低至200 μm，還能構(gòu)建尺寸為1×1 cm2的小型化傳感器，并將其粘附到假手手指表面，以實(shí)現(xiàn)對正常觸覺和尖刺的痛覺檢測（圖5f）。當(dāng)用假手觸摸榴蓮殼表面時(shí)，通過電阻變化的映射圖譜可以反映不同手指的觸痛分布（圖5g）。此外，在小型傳感器陣列中引入光學(xué)響應(yīng)系統(tǒng)，還能通過紅色LED燈點(diǎn)亮警示尖刺產(chǎn)生的疼痛，避免對柔性傳感材料的持續(xù)損傷（圖5h）。
圖5. 懸浮雙層器件用于物體表面尖銳度的可視化觸覺感知和痛覺預(yù)警
最后，將懸浮雙層傳感器件和機(jī)器手進(jìn)行集成，探索其在友好人機(jī)交互中的應(yīng)用（圖6a和5b）。首先，懸浮雙層器件賦予機(jī)器手主動的觸痛感知功能，使其能夠通過信號的變化差異分辨輕柔觸摸并對猛烈敲擊做出規(guī)避危險(xiǎn)動作（圖6c-e）。此外，集成懸浮雙層電子皮膚的機(jī)器手還能以主動和被動的方式感知握手交互過程中過度用力造成的疼痛感，并通過主動松手這一動作及時(shí)保護(hù)交互對象和自身，實(shí)現(xiàn)友好且安全的人機(jī)交互過程（圖6f-i）。
圖6. 懸浮雙層器件用于友好人機(jī)交互
總的來說，這項(xiàng)工作通過構(gòu)建懸浮雙層感知結(jié)構(gòu)，利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機(jī)械接觸機(jī)制，高效地模仿了生物皮膚觸痛感知行為，為構(gòu)建具有靈敏觸覺和痛覺功能耦合的人工感知系統(tǒng)提供了新的思路，在仿生電子和智能人機(jī)交互等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC2805200）、國家自然科學(xué)基金（52373094, 52073295）、浙江實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（No.2022MG0AB01）、中德合作國際交流項(xiàng)目（M-0424）、寧波國際合作項(xiàng)目（2023H019）等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202403447
