從清華大學(xué)獲悉,該校航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組在國際上首研制出具有仿生三維架構(gòu)的新型電子皮膚,可在物理層面實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)信號(hào)的同步解碼和感知,對(duì)壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米,接近于真實(shí)皮膚。相關(guān)研究成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。
復(fù)刻人類皮膚源于自然演化的感知功能,是電子皮膚、機(jī)器人等前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)。然而目前,尚未有電子皮膚能夠復(fù)現(xiàn)人體皮膚中機(jī)械感受器的細(xì)微觀三維空間分布形式,進(jìn)而像皮膚一樣,在物理層面實(shí)現(xiàn)壓力、剪切力、應(yīng)變等多種機(jī)械信號(hào)的同步解耦感知。
據(jù)悉,這一新型電子皮膚受人類皮膚中機(jī)械感受器空間分布形式的啟發(fā),其結(jié)構(gòu)中的力與應(yīng)變傳感器的三維分布,效仿了人類皮膚中梅克爾細(xì)胞和魯菲尼氏小體的空間分布形式,使該器件能夠從物理層面解耦地測(cè)量壓力、剪切力和應(yīng)變。與皮膚結(jié)構(gòu)類似,該三維電子皮膚也由“表皮”“真皮”和“皮下組織”組成,且各層的有效模量與人體皮膚中的對(duì)應(yīng)層相近。傳感器及電路主要位于“真皮”層中,其中力傳感單元設(shè)計(jì)為八臂籠狀結(jié)構(gòu),傳感器位于籠狀結(jié)構(gòu)上部,更靠近電子皮膚表面,因而對(duì)外部作用力高度敏感;應(yīng)變傳感器位于器件底部的拱形結(jié)構(gòu)上,在垂直高度上與力傳感單元上部的傳感器保持一定的距離,因此只對(duì)面內(nèi)的拉伸應(yīng)變敏感,幾乎不會(huì)受壓力的干擾。
課題組基于這種具有三維架構(gòu)的電子皮膚,結(jié)合深度機(jī)器學(xué)習(xí)算法,研制出只需通過觸摸便可同時(shí)測(cè)量物體模量及局部主曲率的先進(jìn)觸覺系統(tǒng),展示了其在判別食物新鮮程度等真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用。
“電子皮膚實(shí)際上是模仿人類皮膚感知功能的一種新型傳感器,未來可裝于醫(yī)療機(jī)器人指尖進(jìn)行早期診療,還可像創(chuàng)可貼一樣貼在人的皮膚上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血氧等健康數(shù)據(jù)?!睆堃换壅J(rèn)為,這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發(fā)和應(yīng)用提供了新路徑,在工業(yè)機(jī)器人、生物醫(yī)療、人機(jī)交互等多方面具有廣闊應(yīng)用前景。