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人類對機(jī)器人的追逐，從未停止！柔性可穿戴電子器件，可以讓人更接近機(jī)器人的敏銳，也讓機(jī)器人更接近人類的智能。
電子皮膚，就是當(dāng)前可穿戴器件領(lǐng)域的核心議題之一。
人體皮膚具有高拉伸性和韌性，能感受刺激，并在受傷后自我修復(fù)。這是因?yàn)椋梭w皮膚中含有大量的傳感器，可以感知力學(xué)形變和溫度變化，由觸摸刺激引起皮膚上的應(yīng)變和溫度空間分布的獨(dú)特感知。
電子皮膚（e-skins）是一種模仿人類皮膚的柔性電子設(shè)備，可以替代人類的天然皮膚，用作人機(jī)界面。為了模仿人類皮膚的這些獨(dú)特功能，電子皮膚必須具有多模式，能夠感知各種各樣的外部刺激，具有高密度的傳感器，并且不受自然皮膚感覺的干擾。
問題在于，想要將各種傳感器集成到電子皮膚上，以感知具有不同物理量的不同類型的感覺，需要實(shí)現(xiàn)高密度陣列的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，制造相當(dāng)困難。
2020年11月20日，浦項(xiàng)科技大學(xué)Unyong Jeong和斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)，東京大學(xué)Takao Someya團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立在Science同時(shí)發(fā)表論文，報(bào)道了電子皮膚最新突破。Unyong Jeong和鮑哲南等人基于可拉伸多峰離子電子（IE）導(dǎo)體發(fā)展了一種IEM皮膚，可以精準(zhǔn)測量應(yīng)變和溫度輸入而沒有信號干擾。Takao Someya等人則基于導(dǎo)電和介電納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展了超薄電容式壓力傳感器，該傳感器可以連接到人的指尖以進(jìn)行握力和力的測量，而不會影響皮膚的天然感覺。
突破1：讓機(jī)器人感知多種感覺
要想在電子皮膚上實(shí)現(xiàn)多模式感知，最好的辦法就是使用相同的傳感單元來檢測不同的物理量，而不會產(chǎn)生信號干擾，這種方法稱為去耦多模式感知。傳統(tǒng)的可拉伸傳感器對應(yīng)變和溫度都比較敏感，而且，在沒有信號干擾的情況下不能用作人工多模態(tài)受體。
Unyong Jeong和鮑哲南等人的目標(biāo)，就是通過單個(gè)傳感單元實(shí)現(xiàn)無干擾的應(yīng)變和溫度傳感。考慮到離子導(dǎo)體是一種與離子液體混合的彈性體，他們巧妙地利用離子導(dǎo)體的離子弛豫動力學(xué)消除了應(yīng)變和溫度測量的耦合，并開發(fā)了由一系列人工多峰離子受體組成的IEM皮膚。IEM皮膚由薄薄的離子導(dǎo)體層和兩層正交圖案化的可拉伸電極條之間的夾層制造，在頂部和底部電極之間，可形成毫米大小的人工受體像素化矩陣。
基本原理：
每個(gè)受體的電學(xué)特性都受到外部施加的應(yīng)變和溫度刺激的影響，可以通過阻抗進(jìn)行測量。作者使用了一種和離子導(dǎo)體的應(yīng)變無關(guān)的本征電參數(shù)，即電荷弛豫時(shí)間，該時(shí)間反映了離子導(dǎo)體的離子電荷動力學(xué)，并且等于材料的介電常數(shù)與離子電導(dǎo)率的比值。電荷弛豫時(shí)間是溫度信號的讀數(shù)，不受IEM皮膚變形的影響。
為了感知應(yīng)變，需要對離子導(dǎo)體的體電容進(jìn)行測量。在接收器測量的溫度下，通過對參考電容進(jìn)行歸一化，可以消除溫度對電容的影響。因此，外部應(yīng)變輸入僅改變離子導(dǎo)體的幾何參數(shù)，而溫度輸入則主要調(diào)制離子導(dǎo)體的固有電特性：介電常數(shù)和離子電導(dǎo)率。
核心創(chuàng)新點(diǎn)：
1）考慮到離子導(dǎo)體是一種與離子液體混合的彈性體，他們巧妙地利用離子導(dǎo)體的離子弛豫動力學(xué)消除了應(yīng)變和溫度測量的耦合，
2）IEM皮膚設(shè)計(jì)的另一個(gè)巧妙之處在于，通過將受體基質(zhì)層懸浮在填充有滑石粉的低摩擦界面層上，從而模擬人皮膚的表皮和真皮雙層。這種設(shè)計(jì)允許IEM皮膚在不同的接觸模式（例如剪切，擠壓，扭曲和扭曲）下發(fā)生三維皺紋狀變形，并允許IEM皮膚通過測量的溫度和應(yīng)變曲線來區(qū)分這些接觸模式。數(shù)據(jù)表明，IEM皮膚可以高精度實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的實(shí)時(shí)測量。
3）除此之外，IEM皮膚還可以用作人機(jī)界面，接受不同接觸方式的觸覺輸入，并且可以集成到假肢和機(jī)器人設(shè)備中，以提供具有高空間分辨率的觸覺和熱反饋。使用固有電參數(shù)（例如傳感材料的電導(dǎo)率和介電常數(shù)），與應(yīng)變相互獨(dú)立的溫度傳感概念可以推廣到其他類型的可拉伸多峰傳感器的開發(fā)，用于濕度，化學(xué)物質(zhì)和生物分子的感知。
當(dāng)然，局限也是有的。
一個(gè)關(guān)鍵問題在于，這種基于測量的溫度和應(yīng)變曲線來識別不同觸覺輸入模式的方法，僅適用于在非IEM皮膚的溫度下，與熱或冷物體的相互作用。通過完全基于應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，或者基于環(huán)境對IEM皮膚溫度進(jìn)行調(diào)制（譬如添加加熱層）來使用基于學(xué)習(xí)的識別模型，有望解決這一問題。
突破2：讓機(jī)器人手指有觸覺
感受壓力和觸覺，是電子皮膚技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。基于電子傳感器構(gòu)造智能手套，用于量化模擬手指或手部操作過程中的觸覺信號，可以幫助我們解密人手感覺的奇妙之處，從而通過仿生技術(shù)，更好地設(shè)計(jì)機(jī)器人手和假手。
Takao Someya等人的目標(biāo)是感知指尖上難以察覺的佩戴和觸覺。基于Miyamoto等人提出的導(dǎo)電納米網(wǎng)狀電極的設(shè)計(jì)，他們開發(fā)了一種超薄電容式壓力傳感器，該傳感器由多層導(dǎo)電和電介質(zhì)納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，可以在制造過程中直接層壓在人體皮膚上。集成于皮膚的納米網(wǎng)狀電極具有可拉伸性、高度透氣性以及極低的彎曲剛度，不會對皮膚產(chǎn)生任何機(jī)械約束或皮膚病學(xué)刺激。另外，納米網(wǎng)狀壓力傳感器可以記錄人手操作的觸覺信號，與現(xiàn)有的電子手套和電子皮膚相比，可以提供更加優(yōu)異的傳感性能和零數(shù)據(jù)偽影。
制造技術(shù)：
研究人員首先制造了一種網(wǎng)狀電極，基于靜電紡絲技術(shù)，他們將水溶性聚合物聚乙烯醇（PVA）制成寬度為300至500 nm的納米纖維多層網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。然后，在PVA納米網(wǎng)層上沉積100 nm厚的金層，接著將鍍金的納米網(wǎng)層轉(zhuǎn)移到皮膚表面。PVA納米纖維被水沖洗掉，而溶解的PVA殘留層極大地促進(jìn)了所制得的金納米網(wǎng)層在帶紋理的皮膚表面的附著，具有優(yōu)異的附著力和保形接觸。
為了制造納米網(wǎng)狀壓力傳感器，Takao Someya等人首先將納米網(wǎng)狀電極層壓在皮膚表面，然后依次連接由電紡聚氨酯和聚對二甲苯納米纖維制成的介電納米網(wǎng)狀層，以及另一個(gè)納米網(wǎng)狀電極層，以形成平行板電容器結(jié)構(gòu)。之后，他們使用溶解的PVA納米纖維作為填充劑和粘合劑，將聚氨酯納米纖維的納米網(wǎng)狀鈍化層連接到頂部電極層。
傳感原理：
戴著這種壓力傳感器的手指抓住物體時(shí)，施加到壓力傳感器上的抓握力會使中間電介質(zhì)納米網(wǎng)層變形，隨著傳感器讀數(shù)的增加，上下電極之間測得的電容就會發(fā)生變化。
技術(shù)優(yōu)勢：
1) 不影響自然感覺。納米網(wǎng)狀壓力傳感器的總厚度約為13μm。他們通過捕捉實(shí)驗(yàn)考察了手指集成式壓力傳感器對自然指尖感覺的影響，結(jié)果表明，安裝壓力傳感器并沒有導(dǎo)致人手原本感覺的反饋下降。他們認(rèn)為，這應(yīng)該是納米網(wǎng)狀壓力傳感器的超薄順應(yīng)性結(jié)構(gòu)使該設(shè)備在指尖上無法察覺。另外，傳感器的底部納米網(wǎng)狀電極層與皮膚表面的親密和保形粘附，使得傳感器的附著對手指皮膚感覺的影響可忽略不計(jì)。
2）耐久性。這種傳感器在循環(huán)壓縮、剪切和表面摩擦下也表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械持久性，這應(yīng)該歸功于壓力傳感器的多層納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高機(jī)械強(qiáng)度。
當(dāng)然，還有更多工作要做。
1）如何實(shí)現(xiàn)在大面積，高密度下可擴(kuò)展制造柔軟的像素化納米網(wǎng)格壓力傳感器？
2）探索納米網(wǎng)狀壓力傳感器在皮膚上的不可感知性的基本機(jī)制，對皮膚集成型壓力傳感器性能的系統(tǒng)研究，以抓握不同材料和特性（例如絕緣，導(dǎo)電，硬質(zhì)或絕緣）的物體。
3）記錄人手操作的觸覺信號，超越現(xiàn)有的電子手套和電子皮膚相比，提供更加優(yōu)異的傳感性能和零數(shù)據(jù)偽影。
未來可期
多模式感覺和無障礙皮膚整合，是電子皮膚設(shè)計(jì)所需要的兩個(gè)重要特征。這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別提供了新的解決方案，以簡化的設(shè)備結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的感測性能，在實(shí)現(xiàn)這些神奇的功能的基礎(chǔ)上，又不影響天然感知。
這些研究將啟發(fā)傳感器設(shè)計(jì)的新熱潮，極大地促進(jìn)電子皮膚在可穿戴醫(yī)療監(jiān)控，感覺修復(fù)和機(jī)器人設(shè)備以及高性能人機(jī)界面等領(lǐng)域的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
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
