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南洋理工大學王一凡團隊 Small:可用于壓力檢測和接近感應的新型人造皮膚
2023-01-29  來源:高分子科技

  人造皮膚(Artificial Skin)通過其在智能機器人,人機交互以及虛擬/增強現實領域的廣泛應用,已經徹底改變我們的生活。人造皮膚的最初發展目標,是為了在合成系統上實現天然皮膚的強大感應能力,目前為止,研究學者們在這個目標上已經取得巨大進步。目前的人造皮膚可以像天然皮膚一樣,將包括溫度、壓力/應力、濕度、表面性能,和其他生理指標等等環境參數轉換成數字信號。除了模仿自然皮膚之外,學者們正在嘗試新的突破,希望實現超越天然皮膚功能的新型人造皮膚。在這種背景下,開發出了具有雙響應模式的人工皮膚,這類皮膚可以同時賦予人類或者機器人觸覺(tactile)與非接觸(touchless)的感應能力。然而,盡管已經存在這些雙響應人造皮膚的報道,對于這些研究而言,應用大多局限于非接觸感知(proximity perception)或者接近開關(approach switches)。實際上,我們設想,來自環境的近端(proximal)輸入應該可以傳遞關于目標本身的更多有價值的信息,例如物質組成和類型,而這些在以前的研究中總是被忽視。


  針對此,新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院王一凡助理教授團隊開發了一種離子型的雙響應的人造皮膚(iontronic dual-responsive artificial skin)。這種人造皮膚不僅可以靈敏地檢測外部的壓力水平,還可以探測環境中的近端接觸事件。利用多孔材料和離子液體(ionic liquid, IL),該電容型的人造皮膚具備了非常高的探測靈敏度;谌嗽炱つw傳感陣列,作者進一步構建了雙模態控制面板,開發了可訪問的人機界面。文章中演示了該人造皮膚的一系列應用,包括虛擬游戲角色的操作、電子地圖的導航以及電子書的滾動瀏覽。更重要的是,通過將人造皮膚安裝在機器人系統上,作者概念性地展示了一種非接觸的材料分類系統。相關成果以“A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces”為題發表在《Small》期刊上。該文章第一作者為博士后王海露,通訊作者為南洋助理教授王一凡


人造皮膚的基本結構和概述。a)人造皮膚功能的概念性展示。b) PDMS海綿多孔蓬松結構的SEM圖像(比例尺:300μm)。c)導電織物電極表面形貌的SEM圖像(比例尺:200μm)d)制備的多孔PDMS海綿狀實體的照片(比例尺:1厘米)。 


2 a) 人造皮膚在觸覺感應模式下的工作原理和等效電路。b)不同IL含量的樣品的靈敏度響應。c) 傳感器在不同壓力下的實時電容響應。d-e)不同IL含量多孔PDMS樣品的力學性能和介電性能。f) 傳感器在工作超過11 800次循環后的耐久性測試。g) i-DAS的傳感性能與以往工作的比較。 


3 a) 人造皮膚非接觸探測的工作原理及等效電路。b-c)人造皮膚在檢測 PTFE薄膜和銅薄膜靠近時的傳感能力。d)機器人手指靠近、接觸和遠離人類手指時電容的實時變化。e)人造皮膚在探測不同接近目標時的電容變化。 


4 a) 基于人造皮膚的多功能應用展示。a) 操作電腦游戲的雙模控制面板工作流程圖。b)在 低速和高速模式下觸發游戲角色移動的演示,動作指令分別由人類手指靠近和觸摸觸發。c) 演示電子地圖導航和d)電子文檔滾動瀏覽。 


5 a) 基于人造皮膚的非接觸材料分類系統。a)非接觸式材料分類的工作原理圖。b-d)演示人造皮膚成功分類聚合物,金屬和人體。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206830

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(責任編輯:xu)
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