燃!鲍哲南等人今日2篇Science,柔性电子皮肤未来可期!
小纳米 2020-11-20

柔性可穿戴器件QQ群:1032109706


人类对机器人的追逐,从未停止!柔性可穿戴电子器件,可以让人更接近机器人的敏锐,也让机器人更接近人类的智能。


电子皮肤,就是当前可穿戴器件领域的核心议题之一。


人体皮肤具有高拉伸性和韧性,能感受刺激,并在受伤后自我修复。这是因为,人体皮肤中含有大量的传感器,可以感知力学形变和温度变化,由触摸刺激引起皮肤上的应变和温度空间分布的独特感知。


电子皮肤(e-skins)是一种模仿人类皮肤的柔性电子设备,可以替代人类的天然皮肤,用作人机界面。为了模仿人类皮肤的这些独特功能,电子皮肤必须具有多模式,能够感知各种各样的外部刺激,具有高密度的传感器,并且不受自然皮肤感觉的干扰。


问题在于,想要将各种传感器集成到电子皮肤上,以感知具有不同物理量的不同类型的感觉,需要实现高密度阵列的复杂结构,制造相当困难。


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2020年11月20日,浦项科技大学Unyong Jeong和斯坦福大学鲍哲南团队,东京大学Takao Someya团队各自独立在Science同时发表论文,报道了电子皮肤最新突破。Unyong Jeong和鲍哲南等人基于可拉伸多峰离子电子(IE)导体发展了一种IEM皮肤,可以精准测量应变和温度输入而没有信号干扰。Takao Someya等人则基于导电和介电纳米网状结构发展了超薄电容式压力传感器,该传感器可以连接到人的指尖以进行握力和力的测量,而不会影响皮肤的天然感觉。


突破1:让机器人感知多种感觉


要想在电子皮肤上实现多模式感知,最好的办法就是使用相同的传感单元来检测不同的物理量,而不会产生信号干扰,这种方法称为去耦多模式感知。传统的可拉伸传感器对应变和温度都比较敏感,而且,在没有信号干扰的情况下不能用作人工多模态受体。


Unyong Jeong和鲍哲南等人的目标,就是通过单个传感单元实现无干扰的应变和温度传感。考虑到离子导体是一种与离子液体混合的弹性体,他们巧妙地利用离子导体的离子弛豫动力学消除了应变和温度测量的耦合,并开发了由一系列人工多峰离子受体组成的IEM皮肤。IEM皮肤由薄薄的离子导体层和两层正交图案化的可拉伸电极条之间的夹层制造,在顶部和底部电极之间,可形成毫米大小的人工受体像素化矩阵。


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基本原理:

每个受体的电学特性都受到外部施加的应变和温度刺激的影响,可以通过阻抗进行测量。作者使用了一种和离子导体的应变无关的本征电参数,即电荷弛豫时间,该时间反映了离子导体的离子电荷动力学,并且等于材料的介电常数与离子电导率的比值。电荷弛豫时间是温度信号的读数,不受IEM皮肤变形的影响。


为了感知应变,需要对离子导体的体电容进行测量。在接收器测量的温度下,通过对参考电容进行归一化,可以消除温度对电容的影响。因此,外部应变输入仅改变离子导体的几何参数,而温度输入则主要调制离子导体的固有电特性:介电常数和离子电导率。


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核心创新点:


1)考虑到离子导体是一种与离子液体混合的弹性体,他们巧妙地利用离子导体的离子弛豫动力学消除了应变和温度测量的耦合,


2)IEM皮肤设计的另一个巧妙之处在于,通过将受体基质层悬浮在填充有滑石粉的低摩擦界面层上,从而模拟人皮肤的表皮和真皮双层。这种设计允许IEM皮肤在不同的接触模式(例如剪切,挤压,扭曲和扭曲)下发生三维皱纹状变形,并允许IEM皮肤通过测量的温度和应变曲线来区分这些接触模式。数据表明,IEM皮肤可以高精度实现应变和温度的实时测量。


3)除此之外,IEM皮肤还可以用作人机界面,接受不同接触方式的触觉输入,并且可以集成到假肢和机器人设备中,以提供具有高空间分辨率的触觉和热反馈。使用固有电参数(例如传感材料的电导率和介电常数),与应变相互独立的温度传感概念可以推广到其他类型的可拉伸多峰传感器的开发,用于湿度,化学物质和生物分子的感知。


当然,局限也是有的。


一个关键问题在于,这种基于测量的温度和应变曲线来识别不同触觉输入模式的方法,仅适用于在非IEM皮肤的温度下,与热或冷物体的相互作用。通过完全基于应变分布数据,或者基于环境对IEM皮肤温度进行调制(譬如添加加热层)来使用基于学习的识别模型,有望解决这一问题。


突破2:让机器人手指有触觉


感受压力和触觉,是电子皮肤技术进步的关键环节。基于电子传感器构造智能手套,用于量化模拟手指或手部操作过程中的触觉信号,可以帮助我们解密人手感觉的奇妙之处,从而通过仿生技术,更好地设计机器人手和假手。


Takao Someya等人的目标是感知指尖上难以察觉的佩戴和触觉。基于Miyamoto等人提出的导电纳米网状电极的设计,他们开发了一种超薄电容式压力传感器,该传感器由多层导电和电介质纳米网状结构组成,可以在制造过程中直接层压在人体皮肤上。集成于皮肤的纳米网状电极具有可拉伸性、高度透气性以及极低的弯曲刚度,不会对皮肤产生任何机械约束或皮肤病学刺激。另外,纳米网状压力传感器可以记录人手操作的触觉信号,与现有的电子手套和电子皮肤相比,可以提供更加优异的传感性能和零数据伪影。


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制造技术:

研究人员首先制造了一种网状电极,基于静电纺丝技术,他们将水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)制成宽度为300至500 nm的纳米纤维多层网状网络。然后,在PVA纳米网层上沉积100 nm厚的金层,接着将镀金的纳米网层转移到皮肤表面。PVA纳米纤维被水冲洗掉,而溶解的PVA残留层极大地促进了所制得的金纳米网层在带纹理的皮肤表面的附着,具有优异的附着力和保形接触。


为了制造纳米网状压力传感器,Takao Someya等人首先将纳米网状电极层压在皮肤表面,然后依次连接由电纺聚氨酯和聚对二甲苯纳米纤维制成的介电纳米网状层,以及另一个纳米网状电极层,以形成平行板电容器结构。之后,他们使用溶解的PVA纳米纤维作为填充剂和粘合剂,将聚氨酯纳米纤维的纳米网状钝化层连接到顶部电极层。


传感原理:

戴着这种压力传感器的手指抓住物体时,施加到压力传感器上的抓握力会使中间电介质纳米网层变形,随着传感器读数的增加,上下电极之间测得的电容就会发生变化。


技术优势:

1) 不影响自然感觉。纳米网状压力传感器的总厚度约为13μm。他们通过捕捉实验考察了手指集成式压力传感器对自然指尖感觉的影响,结果表明,安装压力传感器并没有导致人手原本感觉的反馈下降。他们认为,这应该是纳米网状压力传感器的超薄顺应性结构使该设备在指尖上无法察觉。另外,传感器的底部纳米网状电极层与皮肤表面的亲密和保形粘附,使得传感器的附着对手指皮肤感觉的影响可忽略不计。

2)耐久性。这种传感器在循环压缩、剪切和表面摩擦下也表现出优异的机械持久性,这应该归功于压力传感器的多层纳米网状结构的高机械强度。


当然,还有更多工作要做。

1)如何实现在大面积,高密度下可扩展制造柔软的像素化纳米网格压力传感器?

2)探索纳米网状压力传感器在皮肤上的不可感知性的基本机制,对皮肤集成型压力传感器性能的系统研究,以抓握不同材料和特性(例如绝缘,导电,硬质或绝缘)的物体。

3)记录人手操作的触觉信号,超越现有的电子手套和电子皮肤相比,提供更加优异的传感性能和零数据伪影。


未来可期


多模式感觉和无障碍皮肤整合,是电子皮肤设计所需要的两个重要特征。这两个研究团队分别提供了新的解决方案,以简化的设备结构和增强的感测性能,在实现这些神奇的功能的基础上,又不影响天然感知。


这些研究将启发传感器设计的新热潮,极大地促进电子皮肤在可穿戴医疗监控,感觉修复和机器人设备以及高性能人机界面等领域的发展。


参考文献:

1. Insang You et al. Artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics. Science 2020, 370, 961-965.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/961

2. Sunghoon Lee et al. Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference. Science 2020, 370, 966-970.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966

3. Xinyu Liu. The more and less of electronic-skin sensors. Science 2020, 370, 910-911.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/910

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