最新电子皮肤的触觉有多灵？连空气流动都能感受到

Posted 2021-08-07 QbitAl

丰色 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

你知道电子皮肤吗？

它可以让安装假肢的人恢复触觉；

让机器人体会拿起一个苹果或杯子所需的力量差异；

将它与智能手表和腕带等结合，还可实现“智能把脉”……

可谓用处多多！

而如何让电子皮肤感受不同物体表面的差异，摸出不同粗糙度的那种，一直是个不小的挑战。

相关研究的最新进展来自中国科学院上海高等研究院，研究人员设计出了一种基于碳材料、具有指纹微结构的3D打印电子皮肤。

该皮肤可以精确检测压力，摸出物体表面微米级别的差异！

甚至连空气的流动都不放过！

成果已发表在综合性材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

PDMS微球+石墨烯的创意组合

这个电子皮肤的材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）微球与石墨烯组成。

除此之外，研究人员受到人类指纹的启发，将它赋予了指纹微结构。

△ 指纹微结构电子皮肤由基底层、电极和传感器层等组成

制作过程如下：

首先将PDMS加水进行乳化、离心和固化制成PDMS微球 （microspheres），与石墨烯混合。

其中，使用未交联PDMS-石墨烯混合液态先驱液包覆微球。

然后将混合溶液充分搅拌，得到均匀的凝胶状油墨。

接着用3DMAX建好具有指纹结构的触觉传感器模型。

最后，使用打印机在2分钟之内打印出一张高为0.3mm、直径为20mm的实体，再经过60°C的高温固化5个小时，一张“电子皮肤”就完成了！

这个新型电子皮肤的效果如何？

研究人员进行了力学性能测试、10μm/s加载速度的压力传感测试以及摩擦测试等等。

可摸出物体表面微米级别的差异

首先来关注它能否区分微观结构下不同粗糙度的物体表面。

下图（a）为显微镜下4个不同激光纹理表面样本，单位：μm，（d）为人类手指对该4个样本的触觉反应：

使用以下装置和操作对该电子皮肤的粗糙反应度进行测试：

可以发现，该电子皮肤可以精确区分不同粗糙度的物理表面：

△ 左为不同粗糙度的激光毛化表面在外加压力作用下的摩擦力，右为不同摩擦力作用下的阻力变化

除此之外，该电子皮肤还具有一下优点：

1、拉伸能力强健：传感层的伸长率可达70%。不过随着石墨烯含量的增加，该性能会下降；

2、响应时间短：60ms的瞬时响应；

3、灵敏度高：随着压力的降低（2.9kPa到0.18kPa），该皮肤的灵敏度从0.55kPa⁻ ¹增加到2.4kPa⁻ ¹ 。

这表明该皮肤有在低压下进行压力传感的潜力，比如感受人类皮肤的光触觉。

4、风荷实验结果表明，在风速为1m/s的流体环境中，该传感器还能有效地“触摸”到气体和其他流体的变化。

以上表明，这个基于PDMS微球和石墨烯所构建的电子皮肤，不仅可以用于对不同粗糙度表面的检测，还可用于气流监测、声音检测等。

最后，研究团队表示，这项工作为电子皮肤的研究提供了新思路，也可应用于可穿戴设备的传感设计。

论文地址：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c04079