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五邑大學(xué)羅堅(jiān)義、澳門大學(xué)周冰樸課題組 Mater. Horiz.：基于磁響應(yīng)微纖毛及導(dǎo)電微穹頂?shù)碾p模態(tài)電子皮膚
2024-11-28  來源：高分子科技

  電子皮膚（E-skin）在模擬人類感官系統(tǒng)用于假肢、人機(jī)交互和醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)方面引起了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，完全模擬皮膚功能仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠つw功能可以分離刺激，如正常/切向力，接觸/非接觸行為，以及對(duì)高頻輸入的反應(yīng)。有鑒于此，五邑大學(xué)羅堅(jiān)義團(tuán)隊(duì)與澳門大學(xué)周冰樸團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)了一種基于仿生毛發(fā)-表皮-真皮-皮下組織結(jié)構(gòu)的全仿生電子皮膚（FBE-skin），用于多維觸覺感知。如圖1所示，文中通過充分利用人體皮膚的設(shè)計(jì)理念，制造磁化微纖毛（MMCA）、導(dǎo)電微穹頂（MDA）和柔性電極來復(fù)制生物毛發(fā)層、表皮-真皮層和RA/SA受體。通過優(yōu)化微纖毛和導(dǎo)電微圓頂?shù)男螒B(tài)和磁/電性能，該工作進(jìn)一步提高了自上而下結(jié)構(gòu)中各部件的傳感性能。


圖1. (a) 具有毛-表皮-真皮層的人體皮膚和用于動(dòng)靜態(tài)刺激檢測(cè)的RA/SA機(jī)械感受器的概念圖；(b) 通過電磁元件（MMCA）和壓阻元件（MDA）的耦合電子皮膚設(shè)計(jì)；(c) 電子皮膚模擬人類皮膚實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的多維機(jī)械感知示意圖。


  作者通過形態(tài)調(diào)控和磁化優(yōu)化，仿生MMCA部件能夠?yàn)轭l率高達(dá)100 Hz的動(dòng)態(tài)輸入提供可靠的電反饋。此外，對(duì)電阻式MDA組分進(jìn)行了優(yōu)化，使其能夠以96.6 kPa-1的高靈敏度線性檢測(cè)高達(dá)100 kPa的靜態(tài)壓力。該裝置基于電磁感應(yīng)（MMCA）和壓阻效應(yīng)（MDA）的雙模傳感機(jī)制，可以模擬SA和RA受體的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)外部機(jī)械刺激的同時(shí)監(jiān)測(cè)。MMCA組件在較小的壓力范圍內(nèi)工作，可以響應(yīng)高頻刺激，而MDA組件在低頻時(shí)具有更寬的壓力響應(yīng)范圍。如圖2所示，MMCA和MDA自上而下的整合以一種補(bǔ)充和合作的方式對(duì)外部機(jī)械刺激起作用，包括觸摸/釋放時(shí)刻、機(jī)械持續(xù)時(shí)間和滑動(dòng)速度/方向，法向/切向以及接觸/非接觸類型的多維機(jī)械信號(hào)。


圖2. (a) 典型FBE-skin的光學(xué)圖像和柔性展示；(b) 頻率為3 Hz ~ 30 Hz，壓力為800 Pa時(shí)，F(xiàn)BE-skin的響應(yīng)。(c) 法向壓力作用下MMCA和MDA的變形示意圖，及施加壓力時(shí)的電流和電壓信號(hào)曲線(d)有持續(xù)時(shí)間， (e)無持續(xù)時(shí)間；(f) 日常機(jī)械刺激的示意圖，例如手指滑動(dòng)和氣流導(dǎo)致近端FBE-skin形態(tài)變形；(g) 接觸微纖毛層而不使微穹結(jié)構(gòu)變形時(shí),手指滑動(dòng)FBE-skin的響應(yīng)曲線；(h) FBE-skin暴露于法向和側(cè)向氣流時(shí)的響應(yīng)曲線。


  人體神經(jīng)系統(tǒng)能夠感知滑過皮膚表面的切向機(jī)械刺激。特別是，人體皮膚上分布的毛發(fā)層允許識(shí)別不直接作用于真皮層的輸入信息。這種感知能力不僅反映了輸入強(qiáng)度，還使受體能夠識(shí)別動(dòng)態(tài)輸入的滑動(dòng)方向和移動(dòng)速度等信息（圖3a）。受此啟發(fā)，我們開發(fā)了相應(yīng)的三維可視化系統(tǒng)，通過深入的信號(hào)分析解碼生物力學(xué)載荷，實(shí)現(xiàn)感覺數(shù)字化（圖3b）。在該4×4陣列系統(tǒng)中，16個(gè)FBE-skin單元組成三維可視化界面，可以同時(shí)采集和顯示電壓和電流支路的雙模信號(hào)。本工作模擬了人體皮膚在皮膚接觸前的近端感知、對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的識(shí)別（圖3g-i）、監(jiān)測(cè)切向輸入的滑動(dòng)速度和方向（圖3c-e）以及細(xì)微氣流的空間分布（圖3f）等。此外，利用電磁感應(yīng)原理，還可以直接從電壓圖中觀察滑動(dòng)速度及基于電壓分布重構(gòu)的氣流空間分布。為了模擬基于FBE-skin的3D視覺解碼能力，我們?cè)陉嚵性O(shè)備中集成相應(yīng)的16個(gè)信號(hào)燈，用于對(duì)有害觸摸發(fā)出警告信號(hào)。文中展示了更具體和詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容以及交互式應(yīng)用場(chǎng)景。


圖3. (a) 人體皮膚由于存在毛層而感知切向機(jī)械刺激的示意圖; (b) 基于FBE-skin陣列的感官解碼和三維可視化系統(tǒng)概念圖; (c) 用于識(shí)別不同滑動(dòng)速度和路徑的陣列示意圖; (d)手指以路線①及V0速度滑動(dòng)時(shí)三維可視化系統(tǒng)的響應(yīng); (e) 在不同速度下，暴露于路線②手指滑動(dòng)時(shí)的響應(yīng)。(f) FBE-skin在動(dòng)態(tài)氣流作用下的響應(yīng); (g) 對(duì)纖毛施加輕微（上）和較大壓力引起皮膚明顯變形（下）的示意圖。(h) 對(duì)FBE-skin陣列施加最小壓力時(shí)可視化系統(tǒng)的響應(yīng)。(i) 對(duì)FBE-skin施加較大壓力時(shí)可視化系統(tǒng)的警示響應(yīng)。


  相關(guān)研究成果以“Top-down Architecture of Magnetized Micro-cilia and Conductive Micro-domes as Full Bionic Electronic Skin for De-coupled Multidimensional Tactile Perception”為題發(fā)表在《Materials Horizons》。文章第一作者為澳門大學(xué)與五邑大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生胡鳳鳴。該工作受到了澳門科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（006/2022/ALC and 0057/2023/RIB2）等的經(jīng)費(fèi)支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d4mh01217h

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（責(zé)任編輯：xu）
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