◎本報記者 付銳涵

近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料團隊研究員陳濤、肖鵬等人通過(guò)構建懸浮雙層式傳感結構，實現了仿生電子皮膚的觸痛感知高效集成(chéng)，爲人機交互、智能(néng)假肢等領域的材料應用提供了新可能(néng)。相關論文發(fā)表于國(guó)際學(xué)術期刊《先進(jìn)材料》。

“我們通過(guò)模仿人類的觸覺—痛覺感知雙模态機制，巧妙地設計了懸浮—三維形變—接觸的感知結構，在實現超靈敏觸覺感知的同時，又賦予柔性電子器件阈值可調控的痛覺感知功能(néng)，爲仿生電子皮膚的觸覺感知結構集成(chéng)提供了新思路。”文章通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所研究員肖鵬表示。

可提升人機交互體驗感

受人類皮膚功能(néng)和結構的啓發(fā)，能(néng)夠感知壓力、應變、溫度、濕度等不同外界刺激的傳感器材料成(chéng)爲研究熱點。仿生電子皮膚就是其中的一種(zhǒng)。

“仿生電子皮膚可以將(jiāng)形變、溫度等外部刺激轉換爲電信号，送達數據處理終端。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所博士周偉對(duì)科技日報記者說，近年來，仿生電子皮膚日益受到關注，在機器人感知、智能(néng)假肢、醫療監測等領域展現出廣闊的應用前景。

“仿生電子皮膚可以附著(zhe)在機器人表面(miàn)，賦予機器人觸覺感知，既能(néng)提升機器人的操作能(néng)力，也能(néng)增強人機交互的體驗感。這(zhè)一材料也可以應用于假肢制造，幫助使用者感知壓力、溫度和振動等外界信息。當仿生電子皮膚貼附在人體表面(miàn)時，還(hái)能(néng)實時獲得心率、血壓、體溫等生理參數，連續、不間斷地進(jìn)行健康監測。”周偉說。

懸浮雙層感知結構信息獲取能(néng)力更強

爲了模仿人類皮膚的感知能(néng)力，仿生電子皮膚材料既要保持靈敏度和柔韌性，也要保持穩定性和可靠性。

此項最新研究中，研究團隊創新性地構建了一種(zhǒng)懸浮雙層感知結構材料，實現了由機械阈值介導的觸痛感知高效集成(chéng)。

“可以從材料組成(chéng)和器件結構兩(liǎng)個方面(miàn)理解這(zhè)一成(chéng)果。”周偉告訴記者，在材料組成(chéng)方面(miàn)，研究團隊采用石墨烯納米片作爲傳感材料和電極材料，發(fā)揮其導電性和柔韌性強的優點，基于水—氣界面(miàn)組裝策略，制備出石墨烯組裝薄膜。

“再將(jiāng)石墨烯組裝薄膜分别與超薄彈性體薄膜和微結構彈性基底結合在一起(qǐ)，能(néng)保證複合材料在觸痛感知過(guò)程中的穩定性。”周偉說。

在器件結構方面(miàn)，科研人員構建了懸浮雙層結構。這(zhè)一結構主要由上層的懸浮彈性薄膜和下層的微結構彈性基底組成(chéng)。

“材料采用壓阻式觸覺傳感技術。懸浮彈性薄膜的三維變形和機械接觸響應行爲，是實現觸痛感知的關鍵。”周偉告訴記者，當彈性薄膜發(fā)生形變時，材料中的電流減小，從而産生觸覺；當上層的懸浮彈性薄膜和下層基底發(fā)生機械接觸時，材料中的電流會反向(xiàng)增大，即産生痛覺。

借助雙層接觸界面(miàn)和電流的反向(xiàng)突變，仿生電子皮膚完成(chéng)觸覺向(xiàng)痛覺感知的動态轉變。此次研究顯示，這(zhè)種(zhǒng)懸浮雙層結構能(néng)夠分辨20微米的動态位移并識别低至0.02帕斯卡的觸覺信息。

“即使在5200次接觸—分離循環刺激下，材料也能(néng)保持穩定可靠的觸痛響應性能(néng)，表現出高靈敏度和優異穩定性。”周偉說。

“通過(guò)引入痛覺信号，這(zhè)種(zhǒng)懸浮雙層感知結構可以大大增強單一觸覺傳感器獲取信息的能(néng)力，提高與環境的交互性能(néng)。”周偉介紹，團隊在機械手表面(miàn)附著(zhe)該仿生電子皮膚進(jìn)行了實驗。結果顯示，這(zhè)可以實現對(duì)機械刺激的實時響應和自我保護，提高人機交互的安全性和效率。

技術創新推動仿生皮膚發(fā)展

在工業和信息化部印發(fā)的《人形機器人創新發(fā)展指導意見》中，重點産品和部組件攻關專欄提到“開(kāi)發(fā)高分辨率和具有多點接觸檢測能(néng)力的仿人電子皮膚”。相關産業正處于從研發(fā)到産業化的關鍵時期，技術探索是未來産業突破瓶頸、蓬勃發(fā)展的重要前提和基礎。

近年來，仿生材料作爲材料學(xué)領域的重要研究内容，發(fā)展迅速，在材料技術、傳感技術、系統集成(chéng)等方面(miàn)都(dōu)取得了顯著進(jìn)展。

“碳納米管、石墨烯和金屬納米線等一系列具有高導電性和機械柔韌性的材料能(néng)夠在保持仿生電子皮膚柔軟性和伸展性的同時，實現高效的電信号傳輸。納米級傳感器的應用使仿生電子皮膚能(néng)感知極其微小的壓力和振動，提供精确的觸覺感知。”周偉介紹，一些仿生電子皮膚集成(chéng)了自供電系統，利用壓電效應或摩擦電效應，實現了能(néng)量的自給自足。還(hái)有一些仿生電子皮膚集成(chéng)了無線通信模塊，能(néng)夠實時將(jiāng)數據傳輸到外部設備。通過(guò)置入智能(néng)控制單元，仿生電子皮膚還(hái)可以處理和分析傳感數據，執行更複雜的反饋控制任務。

從技術層面(miàn)看，仿生電子皮膚已具備便攜、智能(néng)、自我修複、多模态感知等特征。在周偉看來，提升傳感器的耐久性、穩定性和生物兼容性是當前仿生電子皮膚研究的焦點。

“比如在高溫、高濕和腐蝕性環境中，如何讓材料保持穩定？如何實時且低功耗地進(jìn)行信号處理和數據傳輸？應用于醫療和人機交互領域時，如何解決生物兼容的問題？通過(guò)不斷的技術創新和多學(xué)科合作，仿生電子皮膚研究有望在未來克服這(zhè)些難題，實現更廣泛、深入的應用。”周偉說。

（原文發(fā)布于2024年6月28日《科技日報》第6版）

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