重建具有表皮和真皮功能的人類皮膚與物理世界互動(dòng)的需求巨大。近期，西北工業(yè)大學(xué)苑偉政、北京大學(xué)張海霞、中山大學(xué)吳進(jìn)合作提出了一種仿生、超靈敏、多功能的水凝膠基電子皮膚（BHES）。它的表皮功能是使用具有納米級(jí)皺紋的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯模擬的，通過(guò)接觸帶電過(guò)程中獲得/失去電子的能力，能夠準(zhǔn)確識(shí)別材料。內(nèi)部機(jī)械感受器由具有粘滑傳感能力的叉指銀電極模擬，以識(shí)別紋理/粗糙度。

通過(guò)圖案化的微錐水凝膠模擬真皮功能，實(shí)現(xiàn)了具有高靈敏度（17.32 mV/Pa）、大壓力范圍（20Pa~ 5000 Pa）、低檢測(cè)限和快速響應(yīng)（10 ms）/恢復(fù)時(shí)間（17 ms）的壓力傳感器。在深度學(xué)習(xí)的輔助下，該BHES在識(shí)別材料（10種材料為95%）和紋理（四種粗糙度情況下為97.20%）方面實(shí)現(xiàn)了高精度并最大限度地減少了干擾。通過(guò)集成信號(hào)采集/處理電路，展示了具有三自由度運(yùn)動(dòng)的可穿戴無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，以及軟機(jī)器人在數(shù)字孿生的自供電人機(jī)交互界面的巨大潛力。該研究以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

仿生人造皮膚的設(shè)計(jì)

該工作提出了一種仿生、超靈敏、多功能的水凝膠電子皮膚，并將納米級(jí)皺紋圖案PET和微錐圖案DN水凝膠引入BHES。這種BHES可以連續(xù)地將微小的機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如圖1所示，所提出的e-skin主要由多層結(jié)構(gòu)組成，即頂層的納米級(jí)皺紋圖案PET，夾在PET和聚酰亞胺（PI）之間的叉指銀電極，抗脫水和防凍微錐圖案DN水凝膠電極和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底。使用納米級(jí)皺紋圖案PET模擬表皮，可以根據(jù)各種材料在接觸帶電過(guò)程中獲得或失去電子的不同能力準(zhǔn)確識(shí)別材料類型。內(nèi)部機(jī)械感受器使用叉指銀電極進(jìn)行模擬，以基于粘滑傳感機(jī)制識(shí)別材料紋理。

此外，作為真皮的對(duì)應(yīng)物，水凝膠使制造的電子皮膚柔軟而有彈性，它還可以用作流體儲(chǔ)存器和緩沖器。BHES不僅可以用于確定接觸材料的類型，還可以精確檢測(cè)壓力刺激。此外，BHES通過(guò)增加信號(hào)處理電路可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)手勢(shì)檢測(cè)和便捷的無(wú)人機(jī)控制操作，在可穿戴電子和交互式人機(jī)界面方面具有巨大的應(yīng)用前景。在人工智能的幫助下，BHES可以賦予機(jī)器人手壓力檢測(cè)和材料/紋理識(shí)別能力，為軟機(jī)器人在數(shù)字孿生和BHES的元宇宙應(yīng)用中的成功應(yīng)用而開(kāi)發(fā)。

圖1 BHES的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具有多種突出性質(zhì)的水凝膠的表征

透明聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸鈣（CA）DN水凝膠使用簡(jiǎn)單的聚合工藝合成。DN水凝膠的后處理是通過(guò)將原始DN水凝膠浸入50 wt%溴化鋰（LiBr）溶液中以引入吸濕性LiBr來(lái)進(jìn)行的，賦予其抗脫水和抗冷凍能力。處理過(guò)的DN水凝膠保持更高的殘留質(zhì)量，比未經(jīng)處理的原始水凝膠具有更好的抗脫水性能。水凝膠優(yōu)異的耐凍性和耐干燥性應(yīng)歸功于LiBr的強(qiáng)水化作用，因?yàn)樾纬煞€(wěn)定的Li-H??O 和 Br?-H?O簇抑制水分子的凍結(jié)和蒸發(fā)。此外，制備的水凝膠還顯示出高透明度，這對(duì)于具有美學(xué)和可見(jiàn)性要求的可穿戴電子產(chǎn)品非常有用。開(kāi)發(fā)的水凝膠在壓制和釋放超過(guò)1000次時(shí)顯示出穩(wěn)定的產(chǎn)量，顯示出其長(zhǎng)期應(yīng)用的巨大潛力。

圖2 表征水凝膠的各種優(yōu)異性能

接觸材料-高靈敏度的無(wú)干擾壓力傳感

如上所述，DN水凝膠已經(jīng)取得了許多優(yōu)異的性能。因此，將微錐圖案化水凝膠用作BHES的導(dǎo)電電極和帶電層，以構(gòu)成自供電壓力傳感模塊。結(jié)果表明傳感器具有出色的抵抗接觸材料干擾的能力。BHES在2 kPa左右壓力下顯示了快速響應(yīng)（10ms）和恢復(fù)（17ms）時(shí)間，明顯快于人體皮膚（30ms ~50 ms）。重要的是，微錐圖案BHES的靈敏度達(dá)到17.32 mV/ Pa，幾乎是非結(jié)構(gòu)化BHES的兩倍。這主要是由于微錐圖案結(jié)構(gòu)在變形過(guò)程中更容易變形，有效地?cái)U(kuò)大了接觸面積。此外，還檢查了功率密度對(duì)具有和不具有微錐結(jié)構(gòu)的器件的外部負(fù)載電阻的依賴性。在所有測(cè)量的外部電阻范圍內(nèi)，微錐圖案BHES的輸出電壓比普通器件的輸出電壓高得多。BHES可以在-27°C和65°C的溫度下輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)1000次循環(huán)壓釋放試驗(yàn)后，最大電壓沒(méi)有明顯下降，有助于其在不同環(huán)境下的進(jìn)一步長(zhǎng)期應(yīng)用。

圖3 所提出的BHES壓力傳感模塊的表征

壓力無(wú)擾動(dòng)精確材料和紋理識(shí)別

識(shí)別不同類型的材料被認(rèn)為是人體皮膚的關(guān)鍵功能之一。然而，使用電子皮膚來(lái)正確識(shí)別具有相同光滑表面的材料是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。由于接觸帶電和粘滑機(jī)制的產(chǎn)生，本研究中的人造電子皮膚可以超越人類皮膚的能力，并借助深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的材料和紋理識(shí)別。該研究選取鋁、銅、紙、砂紙、化學(xué)膠、硅橡膠、PI、PVC和PDMS等10種不同材料，以及氟化乙丙烯（FEP）和4個(gè)不同粗糙度值的銑削碳鋼樣品，驗(yàn)證了BHES的材料種類和表面粗糙度識(shí)別能力。當(dāng)另一個(gè)物體在這個(gè)粗糙的表面上滑動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力和移動(dòng)速度的波動(dòng)。這些不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳感信號(hào)的波動(dòng)，這些波動(dòng)被用作識(shí)別不同紋理特征的原理。受天然人體皮膚皺紋表面的啟發(fā)，引入納米級(jí)皺紋PET與被觸摸物體構(gòu)成摩擦對(duì)，并通過(guò)粘滑機(jī)制輔助紋理識(shí)別。在這項(xiàng)研究中，材料識(shí)別的平均準(zhǔn)確率可以達(dá)到95.00%，BHES的材料感知功能有助于架起物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界的橋梁；因此，這項(xiàng)工作可以針對(duì)數(shù)字孿生和元宇宙領(lǐng)域的軟機(jī)器人進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖4 材料和粗糙度識(shí)別過(guò)程和結(jié)果

BHES-集成無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)

手勢(shì)是一種高效的溝通媒介，特別是對(duì)于需要無(wú)聲換向的反恐場(chǎng)景。因此，將人體皮膚啟發(fā)的BHES與信號(hào)采集和無(wú)線信號(hào)傳輸電路相結(jié)合，該研究開(kāi)發(fā)了一種無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，展示了其在反恐事件中的巨大潛力。BHES檢測(cè)到人的手部動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娸敵鲂盘?hào)以操縱無(wú)人機(jī)。所提出的BHES已成功用于調(diào)節(jié)人機(jī)交互界面應(yīng)用的四旋翼飛行器。此外，還總結(jié)了可以檢測(cè)壓力、識(shí)別材料或輔助無(wú)人機(jī)控制的電子皮膚的當(dāng)前發(fā)展情況。通過(guò)比較，所提出的BHES展示了在功能和傳感性能方面的出色特性。此外，BHES在快速靈敏的壓力傳感以及無(wú)需外部電源即可準(zhǔn)確識(shí)別材料和紋理方面也顯示出優(yōu)勢(shì)。

圖5 BHES在人機(jī)界面應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)

綜上所述，該研究采用納米級(jí)皺紋圖案PET和微錐圖案DN水凝膠，提出了一種基于人體皮膚的超靈敏、多功能水凝膠的電子皮膚。引入納米級(jí)皺紋圖案PET以模仿表皮表面并產(chǎn)生接觸帶電機(jī)制。此外，采用微錐圖案的DN水凝膠作為摩擦層和導(dǎo)電電極，以提高器件的靈敏度。設(shè)計(jì)的DN水凝膠具有出色的抗脫水和抗凍能力，出色的透明度（在可見(jiàn)光譜中超過(guò)85%）和令人欽佩的電穩(wěn)定性。精心設(shè)計(jì)的BHES用作壓力傳感器，在相對(duì)較寬的壓力范圍（17Pa~ 32Pa）內(nèi)具有高靈敏度（20.5000 mV/Pa），檢測(cè)限低，響應(yīng)速度超快（10ms）/恢復(fù)（17ms）。多功能BHES賦予機(jī)器人材料識(shí)別和紋理識(shí)別能力。在深度學(xué)習(xí)的幫助下，10種材料和4種粗糙度的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為95.00%和97.20%。通過(guò)將BHES與信號(hào)采集/處理電路進(jìn)一步結(jié)合，該傳感器展示了其作為人機(jī)界面的能力，通過(guò)監(jiān)控人類手勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)。該研究可用于數(shù)字孿生和元宇宙應(yīng)用中的智能機(jī)器人，在交互式人機(jī)界面方面具有巨大潛力。






審核編輯：劉清