基于離子導(dǎo)體材料的電子皮膚（ionotronic skins, ISs）由于在電學(xué)及靈活性等方面與生物組織的相似性，使其表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而ISs在實際使用中不僅需要保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還需要承受和適應(yīng)一定的機(jī)械載荷和變形。因此，需考慮在復(fù)雜的機(jī)械環(huán)境下取得材料機(jī)械強度和韌性之間的平衡，以保證ISs在長期使用下的可靠性和穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)有的ISs觸覺物體識別大多基于力-應(yīng)變傳感，但是基于力學(xué)的傳感對電子皮膚觸及的復(fù)雜物體的識別是不夠的，如硬度類似的硬橡膠和木頭材質(zhì)的小球的識別仍無法通過接觸壓力來區(qū)分。此外，基于摩擦電的電子皮膚觸覺系統(tǒng)大多只能識別兩個物體的接觸-分離狀態(tài)，無法區(qū)分與它們相互作用的材料類型。基于現(xiàn)有ISs的缺陷，這項工作提出了一個系統(tǒng)的仿生策略，實現(xiàn)了ISs在機(jī)械性能的優(yōu)化和功能上的智能化。
圖1. CIIS設(shè)計和制備
近日，上?？萍即髮W(xué)凌盛杰課題組和東北林業(yè)大學(xué)陳文帥課題組合作設(shè)計了以細(xì)胞骨架啟發(fā)的IS (cytoskeleton-inspired IS, CIIS)。如圖1所示，第一個網(wǎng)絡(luò)是由細(xì)菌納米纖維素組成的框架，它具有與微管和肌動蛋白微絲相似的結(jié)構(gòu)特征和相當(dāng)?shù)某掷m(xù)長度和分形維數(shù)(圖1D和E)，作為維持IS結(jié)構(gòu)完整性的支撐框架，使IS具有機(jī)械順從性。第二個網(wǎng)絡(luò)是絲素分子鏈(圖1B)，絲素蛋白的稀疏結(jié)晶相交聯(lián)和拉伸特性使IS有效地將局部誘導(dǎo)的機(jī)械應(yīng)力分散到IS內(nèi)部的更大區(qū)域，從而可有效實現(xiàn)材料中的應(yīng)力分散。
雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使CIIS在機(jī)械性能上具有傳統(tǒng)IS無法比擬的優(yōu)勢。如圖2所示，CIIS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的類皮膚韌性材料的三階段行為。CIIS具有典型的纖維增強復(fù)合材料韌性斷裂特征。即使出現(xiàn)宏觀缺陷，試樣仍能逐漸承受外部載荷。這種韌性斷裂機(jī)制可以歸因于纖維網(wǎng)絡(luò)的逐漸斷裂、微絲的有限滑移和拉出以及基體的粘性阻力的協(xié)同作用。CIIS在剛度(51±15 MPa）、強度(6±1 MPa)、韌性(1.6±0.7 MJ m−3)和拉伸性(40 ~ 80%)之間保持著良好的平衡。其位于“生物三角”區(qū)域，進(jìn)一步證實了其模仿皮膚的力學(xué)行為。此外，CIIS能夠承受一系列嚴(yán)酷的、動態(tài)的、長期的機(jī)械刺激，而電響應(yīng)非常穩(wěn)定，且沒有發(fā)生物理損傷。
圖2.CIIS的力學(xué)和電學(xué)性能
基于電子皮膚在識別方面的需求，可將其組裝成類皮膚摩擦發(fā)電機(jī)(SL-TENG)，其中可使用CIIS和丙烯酸彈性體分別作為電極和介電材料，將其組裝成智能傳感識別系統(tǒng)。如圖3所示，當(dāng)SL-TENG接觸不同材料時，不同物體產(chǎn)生的輸出電壓信號的峰值輪廓具有可重現(xiàn)性差異，在某些情況下，這些差異相對較弱，很難被人類區(qū)分出來。然而，通過數(shù)值優(yōu)化方法，使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）模型可以擬合決策結(jié)果，并在訓(xùn)練過程中主動發(fā)現(xiàn)隱藏在信號中的特征?；谘h(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建ML模型，對軟橡膠、乒乓球、聚四氟乙烯、硬橡膠和木材等不同介質(zhì)物體產(chǎn)生的輸出電壓信號進(jìn)行訓(xùn)練和聚類。為了避免同一材料信號強度的差異導(dǎo)致過擬合，在模型開始時采用批歸一化和密集層對信號進(jìn)行歸一化，然后對信號進(jìn)行預(yù)處理，提取初步特征。為了提高時間信號分類的可靠性，該模型以長短期記憶網(wǎng)絡(luò)為核心。最后，模型通過softmax函數(shù)歸一化后，輸出物體屬于每個材料類別的概率。在沒有過擬合的情況下，信號分類精度收斂于100%，高識別成功率使構(gòu)建的人形機(jī)械手能夠系統(tǒng)地模擬人手對這種介電物體的識別和分類。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將SL-TENG集成在機(jī)械手的手指上，手指敲擊電介質(zhì)物體五次后，SL-TENG能夠準(zhǔn)確識別出球的材料類型，并將其送入帶有相應(yīng)標(biāo)簽的籃子中。在600次分類測試中，機(jī)械手的成功率高達(dá)97.2%，證明了SL-TENG在識別和分類任務(wù)中的有效性和準(zhǔn)確性。此外，即使部分受損，這些機(jī)械手仍可以正常工作。在480次分選試驗中，分選成功率仍高達(dá)98.1%。
圖3. SL-TENG在智能識別和分類任務(wù)中的應(yīng)用
本研究開發(fā)了一種多尺度仿生策略來構(gòu)建類皮膚ISs。首先，設(shè)計了細(xì)胞骨架啟發(fā)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支撐ISs，這種仿生結(jié)構(gòu)從根本上增強了IS的強度和韌性，并保持了其柔軟性和可拉伸性，使該設(shè)備能夠耐受各種復(fù)雜和苛刻的機(jī)械刺激。隨后，CIIS被組裝成一個類皮膚的摩擦納米發(fā)電機(jī)，以類似于人類手指觸摸的方式感知和識別物體。利用摩擦電信號訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)觸覺感知。在600次測試中，SL-TENG識別5種類型的球形物體的分類準(zhǔn)確率達(dá)到97.2%。為了滿足無人條件下的實際使用需求，將其通過IoT技術(shù)與機(jī)械手集成，生成的機(jī)械手能夠準(zhǔn)確識別各種球形物體的材質(zhì)，并實現(xiàn)其分揀歸類。這些發(fā)現(xiàn)顯示了開發(fā)基于i-skin的類人機(jī)器人在智能分揀、自動操作和組裝應(yīng)用方面的巨大潛力。
相關(guān)論文發(fā)表在期刊ACS Materials Letters上，東北林業(yè)大學(xué)和上?？萍即髮W(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生代晨晨和鹽城工學(xué)院葉超副教授為文章第一作者，凌盛杰教授、陳文帥教授和曹雷濤研究員為通訊作者。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
