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人工觸覺傳感器是基于觸摸的人機(jī)界面應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，觸覺傳感器只在物理接觸或入侵時(shí)才會(huì)工作，而對(duì)接觸前的刺激沒有反應(yīng)，即它們無法對(duì)遠(yuǎn)程事件做出響應(yīng)。一些板鰓魚類，如海水鯊魚，利用電接收體感系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離環(huán)境感知。

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所王中林院士與蒲雄研究員等人，受到這種能力的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種柔軟的人工電感受器來感知接近的目標(biāo)。這種電感受器由彈性駐極體激活，能夠?qū)h(huán)境預(yù)接觸信息編碼為一系列電壓脈沖，作為獨(dú)特的預(yù)接觸人類界面。所設(shè)計(jì)的電感受器在預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)器人控制、游戲操作和三維物體識(shí)別方面的應(yīng)用得到了演示。這些感知近距離接觸前事件的能力可以豐富人機(jī)界面電子產(chǎn)品的功能和應(yīng)用。相關(guān)工作以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”為題發(fā)表在最新一期的《Science Advances》。

圖1. 仿生軟電感受器

一些自然生物，比如暗海中的鯊魚，使用一種電接收策略來進(jìn)行遠(yuǎn)程感知。鯊魚可以通過分布在頭部的大量電感受器追蹤周圍環(huán)境中微小的電場(chǎng)梯度(圖1A)。具體來說，電子信號(hào)被真皮毛孔探測(cè)到，并傳輸?shù)锦忯~的電感覺細(xì)胞，然后電門控離子通道打開，使離子跨細(xì)胞膜遷移。這一過程導(dǎo)致細(xì)胞膜電位上升，這種膜電位的變化以脈沖信號(hào)的形式傳遞到大腦，幫助鯊魚探測(cè)、交流、捕食和導(dǎo)航。

受鯊魚的電感應(yīng)系統(tǒng)的啟發(fā)，研究者設(shè)計(jì)了一種靈活的透明人工電感受器，使用耐用和生物兼容的組件(圖1D)。這種人工的電感受器能夠通過檢測(cè)目標(biāo)自然攜帶的電荷來感知接近的目標(biāo)。

圖2. 電感受器預(yù)接觸傳感的特性。

【人工電感受器的設(shè)計(jì)及工作原理】

基于靜電學(xué)，電感受器可以將環(huán)境預(yù)接觸信息編碼成電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)近端感知(圖1F)。圖2A中用簡化的物理模型描述電輸出過程，?OC(離子電極的電勢(shì))表征電受體的理論性能。分別在金屬薄膜(圖2B)和負(fù)電荷物體(圖2C)靠近彈性體駐極體時(shí)繪出模擬?OC的變化。金屬表面在接近駐極體時(shí)感應(yīng)帶正電荷，與負(fù)電荷物體相比?OC的變化趨勢(shì)相反。

【人工電感受器的輸出特性】

然后，在間隙距離為5 ~ 90 mm的范圍內(nèi)測(cè)試電感受器的傳感能力，表明測(cè)量的電壓(VO)緊密地跟蹤了目標(biāo)的位置(圖2,D ~ F)。研究表明軟電感受器被證實(shí)是適合作為近端而不是遠(yuǎn)程預(yù)接觸傳感器。電感受器的實(shí)際可行性也基于以下優(yōu)化：(i)較大的駐極體電荷密度有利于輸出電壓和電感受器的靈敏度。(ii) 電感受器能夠探測(cè)攜帶表面電荷的金屬和非金屬介質(zhì)。因此，理論上電感受器能夠檢測(cè)到絕大多數(shù)的目標(biāo)，圖2G的結(jié)果驗(yàn)證了這一期望。此外，電感受器的輸出電壓在拉伸狀態(tài)下沒有明顯下降(高達(dá)100%)，與柔性和可拉伸器件的需求相匹配(圖2H)。在室溫下儲(chǔ)存50天，電感受器的性能保持穩(wěn)定，也證實(shí)了彈性體駐極體的電荷穩(wěn)定性(圖2I)。

圖3. 基于電感受器的非接觸式人機(jī)界面。

【非接觸式HMI】

在信號(hào)響應(yīng)靈敏穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，研究者基于定制的LabVIEW程序開發(fā)了虛擬距離報(bào)警機(jī)器人界面(圖3B)。對(duì)于許多人機(jī)交互應(yīng)用，特定電平的電壓信號(hào)可以觸發(fā)交互，不需要精確的距離感覺。利用電感受器，研究了新型的非接觸式人機(jī)交互。圖3C從概念上展示了設(shè)想的場(chǎng)景，一個(gè)裝有電感受器的機(jī)器人能夠探測(cè)到人類的靠近，然后利用人體自然攜帶的電荷與人類進(jìn)行交互。隨著人的靠近，電壓信號(hào)不斷增加，一旦它達(dá)到預(yù)先校準(zhǔn)的閾值，揮手和握手的指令就會(huì)發(fā)送給機(jī)器人。閾值電壓可以控制，以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。

圖4. 人工近端體感系統(tǒng)的生物感受器矩陣。

【機(jī)器學(xué)習(xí)輔助體感系統(tǒng)】

此外，研究者演示了一個(gè)概念證明，即用于三維(3D)物體識(shí)別的電受體矩陣與機(jī)器學(xué)習(xí)算法融合，類似于鯊魚的傳感系統(tǒng)(圖4A)。為了評(píng)估電感受器矩陣的識(shí)別能力，將一個(gè)金屬球放置在電感受器矩陣上方(到底部)10毫米的距離上，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)電壓映射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4C)和模擬結(jié)果(圖4D)高度一致，從中可以明顯地得到一個(gè)位于中心的最高值的映射。

【小結(jié)】

為了實(shí)現(xiàn)更多功能的人機(jī)交互，需要超越傳統(tǒng)直接接觸模式的傳感系統(tǒng)。研究者從鯊魚的電接收策略中獲得了最初的靈感，制作了一個(gè)可伸縮的透明人工電感受器，通過探測(cè)目標(biāo)自然攜帶的電荷來感知接近的目標(biāo)。人工電感受器能夠?qū)h(huán)境預(yù)接觸信息編碼為電壓脈沖，并成功地感知各種類型的目標(biāo)，包括金屬、玻璃、塑料、聚合物和天然材料。然后開發(fā)出無身體接觸的人機(jī)界面，用于演示各種應(yīng)用，包括感知接近目標(biāo)、操縱機(jī)器人手臂和玩電腦游戲。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，證明了利用電感受器矩陣構(gòu)建人工近端體感系統(tǒng)進(jìn)行三維物體識(shí)別的可行性。

與最先進(jìn)的非接觸式傳感器，如激光、射頻和超聲波傳感器相比，這項(xiàng)工作的電感受器可能在距離傳感精度上存在缺陷；然而電接收在縮短距離時(shí)響應(yīng)更靈敏，這可能是有利的，因?yàn)槎叹嚯x精度可能是激光或超聲傳感器的限制。此外，這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將使電感受器在某些應(yīng)用領(lǐng)域更具競(jìng)爭(zhēng)力，包括：

(1)由于彈性體和水凝膠材料的使用，其固有的柔軟性、拉伸性、透明度和生物相容性；

(2)傳感器本身由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電壓信號(hào)，其耗電量可忽略不計(jì)；

(3)適用于各種各樣的材料。

因此，所提出的用軟設(shè)備實(shí)現(xiàn)電接收的策略被認(rèn)為可以豐富感知維度。超越接觸模式范式的人機(jī)交互電子設(shè)備將成為主流交互手段，特別是在COVID-19大流行期間。