南洋理工大学王一凡团队 Small：可用于压力检测和接近感应的新型人造皮肤

2023-01-29 来源：高分子科技

人造皮肤(Artificial Skin)通过其在智能机器人，人机交互以及虚拟/增强现实领域的广泛应用，已经彻底改变我们的生活。人造皮肤的最初发展目标，是为了在合成系统上实现天然皮肤的强大感应能力，目前为止，研究学者们在这个目标上已经取得巨大进步。目前的人造皮肤可以像天然皮肤一样，将包括温度、压力/应力、湿度、表面性能，和其他生理指标等等环境参数转换成数字信号。除了模仿自然皮肤之外，学者们正在尝试新的突破，希望实现超越天然皮肤功能的新型人造皮肤。在这种背景下，开发出了具有双响应模式的人工皮肤，这类皮肤可以同时赋予人类或者机器人触觉(tactile)与非接触(touchless)的感应能力。然而，尽管已经存在这些双响应人造皮肤的报道，对于这些研究而言，应用大多局限于非接触感知(proximity perception)或者接近开关(approach switches)。实际上，我们设想，来自环境的近端(proximal)输入应该可以传递关于目标本身的更多有价值的信息，例如物质组成和类型，而这些在以前的研究中总是被忽视。

针对此，新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院王一凡助理教授团队开发了一种离子型的双响应的人造皮肤(iontronic dual-responsive artificial skin)。这种人造皮肤不仅可以灵敏地检测外部的压力水平，还可以探测环境中的近端接触事件。利用多孔材料和离子液体(ionic liquid, IL)，该电容型的人造皮肤具备了非常高的探测灵敏度。基于人造皮肤传感阵列，作者进一步构建了双模态控制面板，开发了可访问的人机界面。文章中演示了该人造皮肤的一系列应用，包括虚拟游戏角色的操作、电子地图的导航以及电子书的滚动浏览。更重要的是，通过将人造皮肤安装在机器人系统上，作者概念性地展示了一种非接触的材料分类系统。相关成果以“A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces”为题发表在《Small》期刊上。该文章第一作者为博士后王海露，通讯作者为南洋助理教授王一凡。

图1 人造皮肤的基本结构和概述。a)人造皮肤功能的概念性展示。b) PDMS海绵多孔蓬松结构的SEM图像(比例尺:300μm)。c)导电织物电极表面形貌的SEM图像(比例尺:200μm)。d)制备的多孔PDMS海绵状实体的照片(比例尺:1厘米)。

图2 a) 人造皮肤在触觉感应模式下的工作原理和等效电路。b)不同IL含量的样品的灵敏度响应。c) 传感器在不同压力下的实时电容响应。d-e)不同IL含量多孔PDMS样品的力学性能和介电性能。f) 传感器在工作超过11 800次循环后的耐久性测试。g) i-DAS的传感性能与以往工作的比较。

图3 a) 人造皮肤非接触探测的工作原理及等效电路。b-c)人造皮肤在检测 PTFE薄膜和铜薄膜靠近时的传感能力。d)机器人手指靠近、接触和远离人类手指时电容的实时变化。e)人造皮肤在探测不同接近目标时的电容变化。

图4 a) 基于人造皮肤的多功能应用展示。a) 操作电脑游戏的双模控制面板工作流程图。b)在低速和高速模式下触发游戏角色移动的演示，动作指令分别由人类手指靠近和触摸触发。c) 演示电子地图导航和d)电子文档滚动浏览。

图5 a) 基于人造皮肤的非接触材料分类系统。a)非接触式材料分类的工作原理图。b-d)演示人造皮肤成功分类聚合物，金属和人体。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206830

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（责任编辑：xu）

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