人們迫切需要重建具有表皮和真皮功能的人類皮膚，以便與物理世界互動。現(xiàn)有的電子皮膚缺乏全面的功能，通常只關(guān)注觸覺感應(yīng)的一個方面。
為了解決這一局限性，中山大學的吳進、北京大學的張海霞、西北工業(yè)大學的苑偉政等人提出了一種仿生、超靈敏和多功能的基于水凝膠的電子皮膚（BHES）。BHES使用具有納米級褶皺的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）模仿表皮功能，通過接觸帶電進行精確的材料識別。內(nèi)部機械感受器由具有粘滑感應(yīng)功能的交叉指尖銀電極模仿，可識別紋理和粗糙度。真皮功能由帶圖案的微錐水凝膠模仿，實現(xiàn)高靈敏度、大壓力范圍、低檢測限和快速響應(yīng)/恢復(fù)時間的壓力傳感器。使用深度學習以在識別材料和紋理時實現(xiàn)高精度并最大限度地減少干擾。集成信號采集/處理電路的BHES在可穿戴無人機控制系統(tǒng)、軟體機器人和自供電的人機交互界面中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。研究成果以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”為題于7月31日發(fā)表在《ACS NANO》上。
1. 仿生人造皮膚的設(shè)計
在這項工作中，提出了一種仿生、超靈敏、多功能的基于水凝膠的電子皮膚，并將納米級褶皺圖案PET和微錐圖案DN水凝膠引入BHES。這種BHES可以連續(xù)地將微小的機械刺激轉(zhuǎn)換成電信號。如圖1a(i)所示，所提出的電子皮膚主要由多層結(jié)構(gòu)組成，即納米級褶皺圖案PET的播放器、夾在PET和聚酰亞胺（PI）之間的叉指銀電極、防脫水和防凍微錐圖案DN水凝膠電極和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基板。采用納米級褶皺圖案PET模擬表皮，根據(jù)各種材料的不同能力，準確識別材料類型，避免接觸起電過程中失去電子。使用叉指銀電極模擬內(nèi)部機械感受器，以基于粘滑傳感機制識別材料紋理。此外，作為真皮的對應(yīng)物，水凝膠使制造的電子皮膚柔軟且有彈性，并且它還可以充當液體儲存器和緩沖器。由于BHES的多層結(jié)構(gòu)，保留了設(shè)備的簡單性。該設(shè)備的尺寸約為20mm × 20mm，總厚度約1mm。
圖1 BHES的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2. 具有多種突出特性的水凝膠的表征
透明聚丙烯酰胺 (PAM)/海藻酸鈣 (CA)DN 水凝膠是使用簡單的聚合過程合成的。對DN水凝膠進行后處理，將原始DN水凝膠浸入50wt%溴化鋰(LiBr)溶液中，引入吸濕性LiBr，賦予其抗脫水和抗凍能力。LiBr溶液處理的水凝膠的分子結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其中Li在水中分解成Li + 和Br - ，并與水分子鍵合。更高程度的離子水合確保了更強的結(jié)合強度以及更多的結(jié)合水分子。
圖2 水凝膠各種優(yōu)異性能的表征
3. 接觸材料 - 高靈敏度、不受干擾的壓力傳感
如上所述，DN水凝膠已經(jīng)實現(xiàn)了許多優(yōu)異的性能。據(jù)此，微錐圖案水凝膠被用作BHES的導(dǎo)電電極和帶電層，構(gòu)成自供電壓力傳感模塊。所提出的傳感裝置的輸出電壓是通過摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合產(chǎn)生的。當施加外力時，上部材料識別模塊層被壓向水凝膠層，從而形成PI和水凝膠的接觸對。在這種情況下，減少了接觸材料電子親和力的影響，從而實現(xiàn)了精確的壓力傳感功能，實驗結(jié)果進一步驗證了這一點。當聚氯乙烯（PVC）、PET和PDMS對傳感器施加相同壓力時，輸出峰值電壓幾乎恒定（圖3d），展示了傳感器出色的抵抗接觸材料干擾的能力。由于PI和水凝膠的電子親和力不同，電子會在接觸面之間轉(zhuǎn)移。然后，這兩種材料的表面帶有相同極性的相反電荷。當外力去除時，PI和水凝膠層分離，電子將通過外部電路流入水凝膠層，直到達到靜電平衡。由于水凝膠具有彈性，較高的接觸壓力可以引起水凝膠較大的變形，并在PI和水凝膠之間提供較大的接觸面積，從而產(chǎn)生更多的摩擦電荷；因此，輸出電壓與施加的壓力呈正相關(guān)，可用于檢測壓力。
圖3 BHES壓力傳感模塊的特性
4. 不受壓力干擾的準確材料和紋理識別
識別不同類型的材料被認為是人類皮膚的關(guān)鍵功能之一。然而，使用電子皮膚來正確識別具有相同光滑表面的材料是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于接觸起電和粘滑機制的創(chuàng)造，本研究中的人造電子皮膚可以超越人類皮膚的能力，并借助深度學習技術(shù)實現(xiàn)精確的材料和紋理識別。
在本研究中，包括鋁、銅、紙、砂紙、Chemigum、硅橡膠、PI、PVC 和 PDMS 在內(nèi)的 10 種不同材料，以及氟化乙烯丙烯 (FEP) 和 4 個不同材質(zhì)的銑削碳鋼樣品。選擇Ra0.8、Ra1.6、Ra3.2和Ra6.3的粗糙度值來驗證BHES的材料種類和表面粗糙度識別能力。圖4a展示了上述10種材料和4種不同碳鋼樣品的光學圖像。當另一個物體在這個粗糙的表面上滑動時，會產(chǎn)生摩擦力和移動速度的波動。這些不規(guī)則的運動會導(dǎo)致傳感信號的波動，這被用作識別不同紋理特征的原理。受天然人體皮膚褶皺表面的啟發(fā)，引入納米級褶皺PET與觸摸物體構(gòu)成摩擦副，通過粘滑機制輔助紋理識別。
圖4 材料和粗糙度識別過程和結(jié)果
5. BHES-綜合無人機控制系統(tǒng)
手勢是一種高效的溝通媒介，尤其是對于需要無聲換向的反恐場景。因此，本研究將仿人體皮膚的BHES與信號采集和無線信號傳輸電路相結(jié)合，開發(fā)了一種無人機控制系統(tǒng)，展示了其在反恐事件中的巨大潛力，如圖5a所示。BHES檢測人體的手部動作，并將數(shù)據(jù)傳輸為電輸出信號以操縱無人機?？纱┐鳠o人機控制系統(tǒng)的設(shè)置如圖5a所示。
圖5 人機界面應(yīng)用的BHES的實現(xiàn)
6. 總結(jié)與展望
本文提出了一種仿生、超靈敏和多功能的基于水凝膠的電子皮膚，它可以模仿表皮和真皮的功能，從而實現(xiàn)精確的材料識別、紋理識別和壓力傳感。BHES采用納米級褶皺圖案聚對苯二甲酸乙二醇酯來模仿表皮表面并產(chǎn)生接觸帶電，并采用微錐圖案DN水凝膠作為摩擦層和導(dǎo)電電極以提高靈敏度。BHES在寬壓力范圍（20-5000Pa）、低檢測限和快速響應(yīng)/恢復(fù)時間（10ms/17ms）下表現(xiàn)出高靈敏度（17.32 mV/Pa）。采用深度學習來實現(xiàn)高精度識別材質(zhì)（10種材質(zhì)為95.00%）和紋理（四種粗糙度情況為97.20%）。
集成信號采集/處理電路的BHES顯示出應(yīng)用于可穿戴無人機控制系統(tǒng)、軟體機器人和自供電人機交互接口的潛力。該研究對數(shù)字雙胞胎和元宇宙應(yīng)用中的智能機器人具有影響，并在交互式人機界面中展現(xiàn)出巨大的潛力。
文章來源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05253
京公網(wǎng)安備11010802046783號
