《AM》上交谷國迎：皮膚離子凝膠機械感受器用于軟機器、生理傳感和截肢假體
2021年8月5日 09:42瀏覽：2164
觸摸感應在機器人抓取和機器人輔助假肢的新興人機界面中發揮著核心作用。盡管軟導電聚合物的進步促進了各種壓力傳感器的產生，但由于其靈敏度有限、壓力范圍窄以及結構和制造工藝復雜，這些傳感器難以用作機器人和假肢的觸摸皮膚。
卡內基·梅隆大學
Carmel Majidi
教授
，與
上海交通大學機械與動力工程學院
谷國迎教授團隊
共同將離子水凝膠與市售導電織物相結合，構建一種
高度敏感且堅固的柔軟觸感皮膚超電容傳感
。
通過簡單制造方法，制備并具有
高達
1.5 kPa
-1
的高靈敏度
（比傳統平行板電容式傳感器高約44倍）、超過四個數量級（約 35 Pa 至 330 kPa)、超高的電容基線、
快速
的響應時間
(≈18 ms)
和良好的重復性
的超電容傳感
。離子凝膠皮膚由一系列能夠監測各種生理信號和形狀檢測的皮膚機械感受器組成。
觸摸皮膚可以集成在柔軟的仿生手中，并在處理精細物體時為工業機器人和截肢者提供強大的觸覺反饋，說明其在具有觸覺傳感的下一代人在回路機器人系統中的潛在應用
。
文章“
Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses
”發表在
《
Adv
anced
Materials
》
。
圖1，超電容壓力傳感機器人皮膚的設計與原理。
a）軟機器人皮膚系統功能的示意圖。b) 傳統平行板電容傳感器（頂部）和超電容傳感器（底部）的傳感原理。對于超電容原理，當不施加壓力時，水凝膠層和導電織物層之間的接觸面積是有限的。電極層上的正負電荷吸引離子水凝膠層中相對較少的陽離子和陰離子。在外部壓力下，層間的接觸面積顯著增加。更多的離子被吸引到界面上，從而大大增加了電容。c）由離子水凝膠、導電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設計架構。
圖4，多重傳感陣列的應用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個通道的電容（ΔC/C0）的相對變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計算器觸摸屏。d) 16 個像素的電容分布映射。e) 能夠識別測試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實時多通道電容信號，對應于 a) 輕質螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當網球在仿生手上滾動時，機器人皮膚的多通道電容信號。d) 當電容的相應變化超過閾值時，觸摸的單個手指或多個手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業機器人上的實驗裝置照片。f) 動態響應過程中觸摸皮膚的實時電容信號。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠為可穿戴電子設備和假肢機器人提供壓力感應。該
觸摸皮膚可實現強大的機器人應用并實現卓越的傳感性能——包括高靈敏度和分辨率、快速響應速度和廣泛的檢測范圍。
機器人皮膚可以為工業機器人和經橈動脈截肢者提供實時的感官反饋，有利于靈巧的操作和與外部環境的安全交互。
此外，由于其多功能材料結構，皮膚可以與更有效的觸覺反饋方法（如電和振動刺激）相結合。使用超電容離子電子材料作為新型電子皮膚，為下一代人機界面、假肢和其他智
能機器人系統提供了新的可能性。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adma.202102069
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