基于圖案化水凝膠材料的多功能仿生電子皮膚

電子皮膚類(lèi)似于人體皮膚，它可以感知外界刺激獲取環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這項(xiàng)技術(shù)在軟體機(jī)器人、假肢設(shè)計(jì)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域備受關(guān)注。隨著新型可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互界面系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對(duì)電子皮膚的要求也越來(lái)越高。然而，目前仍存在一些挑戰(zhàn)，如傳感靈敏度、功能單一、穩(wěn)定性和環(huán)境適用性等方面的限制，阻礙了其廣泛應(yīng)用。為了克服這些挑戰(zhàn)，結(jié)合微納加工工藝和摩擦納米發(fā)電技術(shù)，可以提升傳感器的靈敏度和環(huán)境適用性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能電子皮膚和人機(jī)交互界面等功能，從而實(shí)現(xiàn)其更廣泛的應(yīng)用。

摘要

西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授團(tuán)隊(duì)/北京大學(xué)張海霞教授團(tuán)隊(duì)提出了一種高靈敏多功能水凝膠基仿生電子皮膚（BHES）。通過(guò)利用不同材料在接觸起電過(guò)程中的得失電子能力差異，該電子皮膚可以準(zhǔn)確地識(shí)別材料，并且借助粘滑現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)材料紋理/粗糙度的識(shí)別?；谖⒓{加工工藝制備了微針圖案化的水凝膠，使得電子皮膚具備了高靈敏度（17.32 mV/Pa）、寬壓力范圍（20-5000 Pa）、低檢測(cè)限和快速響應(yīng)（10 ms）/恢復(fù)（17 ms）的壓力傳感功能。通過(guò)結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)，BHES實(shí)現(xiàn)了高精度的材料識(shí)別（對(duì)于10種材料的識(shí)別準(zhǔn)確率為95.00%）和紋理識(shí)別（對(duì)于4種粗糙度的識(shí)別準(zhǔn)確率為97.20%），并通過(guò)獨(dú)立的傳感通道最大限度地減少了應(yīng)力引起的干擾。基于BHES設(shè)計(jì)了一種可穿戴式無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)合信號(hào)采集和處理電路，使用戶能夠通過(guò)手勢(shì)操控四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行三自由度運(yùn)動(dòng)，并且控制無(wú)人機(jī)編隊(duì)運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)在軟體機(jī)器人、數(shù)字孿生和自供電人機(jī)交互界面等領(lǐng)域展示出巨大的潛力。該研究成果以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《ACS Nano》上，西北工業(yè)大學(xué)陶凱研究員為第一作者，西北工業(yè)大學(xué)苑偉政教授和北京大學(xué)張海霞教授為共同通訊作者。

在這項(xiàng)研究中，作者提出了一種基于圖案化水凝膠材料的多功能仿生電子皮膚，如圖1所示，該電子皮膚具備高靈敏度壓力傳感、高準(zhǔn)確率材料種類(lèi)以及表面粗糙度識(shí)別等多種功能。結(jié)合信號(hào)采集/處理電路，可以通過(guò)該電子皮膚對(duì)人的手勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)，并用于進(jìn)行無(wú)人機(jī)的三自由度運(yùn)動(dòng)操控以及無(wú)人機(jī)群的運(yùn)動(dòng)控制（圖1）。

圖1：圖案化水凝膠基仿生電子皮膚（BHES）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者在傳統(tǒng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中引入LiBr溶液，利用離子水合作用極大改善了其抗干燥以及耐低溫性能，拓寬了其適用溫度范圍。此外，設(shè)計(jì)的水凝膠還具備較高的透明度、電學(xué)穩(wěn)定性以及作為人體運(yùn)動(dòng)傳感器等優(yōu)異性能（圖2）。

圖2：雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)離子水凝膠的性能表征

在該項(xiàng)研究中，首先通過(guò)仿真與計(jì)算優(yōu)化微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)微納加工工藝制備了表面帶有微針結(jié)構(gòu)的水凝膠材料，使得器件的壓力傳感靈敏度由8.86 mV/Pa提高到了17.32 mV/Pa。此外，設(shè)計(jì)的電子皮膚還具備微小物體檢測(cè)和快速響應(yīng)（10 ms）/恢復(fù)（17 ms）的特性（圖3）。

圖3：BHES的壓力傳感應(yīng)用展示

研究者基于不同材料在接觸起電過(guò)程中的得失電子能力差異這一機(jī)理，設(shè)計(jì)的電子皮膚可以準(zhǔn)確地識(shí)別材料種類(lèi)，同時(shí)借助粘滑現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對(duì)材料紋理/粗糙度的識(shí)別。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10種常用工程材料的準(zhǔn)確識(shí)別（識(shí)別準(zhǔn)確率為95.00%）以及對(duì)4種不同粗糙度碳鋼材料的準(zhǔn)確識(shí)別（識(shí)別準(zhǔn)確率為97.20%）（圖4）。

圖4：BHES的材料識(shí)別應(yīng)用展示

研究者基于BEHS，結(jié)合信號(hào)采集/處理電路，設(shè)計(jì)了一套可穿戴式無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用人體手勢(shì)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的三自由度運(yùn)動(dòng)控制以及對(duì)無(wú)人機(jī)群的控制演示，有望在環(huán)境保護(hù)以及山林防災(zāi)等場(chǎng)景中進(jìn)行使用（圖5）。

圖5：基于BHES的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)展示

結(jié)論

在本研究中，基于納米褶皺圖案化PET和微針圖案化雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，提出了一種仿皮膚結(jié)構(gòu)的超靈敏多功能電子皮膚。為模仿表皮層表面并更好地利用摩擦起電機(jī)制，引入了納米褶皺圖案化PET。同時(shí)采用微針圖案化水凝膠作為摩擦層和導(dǎo)電電極，以提高器件的靈敏度。所設(shè)計(jì)的水凝膠顯示出卓越的抗干燥和耐低溫能力、優(yōu)異的透明度和較高電學(xué)輸出穩(wěn)定性。在作為壓力傳感器時(shí)，BHES可在相對(duì)較寬的壓力范圍（20-5000Pa）內(nèi)具有高靈敏度（17.32mV/Pa）、低檢測(cè)限和超快響應(yīng)（10ms）/恢復(fù)（17ms）速度。多功能電子皮膚同時(shí)可賦予機(jī)器人材料識(shí)別和紋理識(shí)別的能力。借助深度學(xué)習(xí)技術(shù)，它可以準(zhǔn)確地識(shí)別10種常用工程材料和4種不同粗糙度的碳鋼材料，識(shí)別準(zhǔn)確率分別可達(dá)到95.00%和97.20%。通過(guò)進(jìn)一步結(jié)合信號(hào)采集/處理電路，該電子皮膚可通過(guò)檢測(cè)人體手勢(shì)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，成功應(yīng)用于人機(jī)交互界面系統(tǒng)。這項(xiàng)研究為智能機(jī)器人在數(shù)字孿生和元宇宙領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路，并展示出在自供能人機(jī)交互界面領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

審核編輯：彭菁