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南洋理工大学王一凡团队 Small:可用于压力检测和接近感应的新型人造皮肤

时间:2023-01-30 来源: 浏览:

南洋理工大学王一凡团队 Small:可用于压力检测和接近感应的新型人造皮肤

化学与材料科学
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人造皮肤( Artificial Skin )通过其在智能机器人,人机交互以及虚拟/增强现实领域的广泛应用,已经彻底改变我们的生活。人造皮肤的最初发展目标,是为了在合成系统上实现天然皮肤的强大感应能力,目前为止,研究学者们在这个目标上已经取得巨大进步。目前的人造皮肤可以像天然皮肤一样,将包括温度、压力/应力、湿度、表面性能,和其他生理指标等等环境参数转换成数字信号。除了模仿自然皮肤之外,学者们正在尝试新的突破,希望实现超越天然皮肤功能的新型人造皮肤。在这种背景下,开发出了具有双响应模式的人工皮肤,这类皮肤可以同时赋予人类或者机器人触觉( tactile )与非接触( touchless )的感应能力。然而,尽管已经存在这些双响应人造皮肤的报道,对于这些研究而言,应用大多局限于非接触感知 (proximity perception) 或者接近开关 ( approach switches) 。实际上,我们设想,来自环境的近端( proximal )输入应该可以传递关于目标本身的更多有价值的信息,例如物质组成和类型,而这些在以前的研究中总是被忽视。

针对此, 新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院王一凡助理教授团队 开发了一种离子型的双响应的人造皮肤(iontronic dual-responsive artificial skin)。这种人造皮肤不仅可以灵敏地检测外部的压力水平,还可以探测环境中的近端接触事件。利用多孔材料和离子液体(ionic liquid, IL),该电容型的人造皮肤具备了非常高的探测灵敏度。基于人造皮肤传感阵列,作者进一步构建了双模态控制面板,开发了可访问的人机界面。文章中演示了该人造皮肤的一系列应用,包括虚拟游戏角色的操作、电子地图的导航以及电子书的滚动浏览。更重要的是,通过将人造皮肤安装在机器人系统上,作者概念性地展示了一种非接触的材料分类系统。相关成果以“A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces” 为题发表在《 S mall 》期刊上。该文章第一作者为博士后 王海露 ,通讯作者为南洋助理教授 王一凡

人造皮肤的基本结构和概述。 a) 人造皮肤功能的概念性展示。 b) PDMS 海绵多孔蓬松结构的 SEM 图像 ( 比例尺 :300µm) c) 导电织物电极表面形貌的 SEM 图像 ( 比例尺 :200µm) d) 制备的多孔 PDMS 海绵状实体的照片 ( 比例尺 :1 厘米 )
 

2   a)   人造皮肤在触觉感应模式下的工作原理和等效电路。 b) 不同 IL 含量的样品的灵敏度响应。 c)   传感器在不同压力下的实时电容响应。 d -e) 不同 IL 含量多孔 PDMS 样品的力学性能和介电性能。 f)  传感器在工作超过 11 800 次循环后的耐久性测试。 g) i-DAS 的传感性能与以往工作的比较。
 

3   a)   人造皮肤非接触探测的工作原理及等效电路。 b-c) 人造皮肤在检测  PTFE 薄膜和铜薄膜靠近时的传感能力。 d) 机器人手指靠近、接触和远离人类手指时电容的实时变化。 e) 人造皮肤在探测不同接近目标时的电容变化。
 

4   a)   基于人造皮肤的多功能应用展示。 a)  操作电脑游戏的双模控制面板工作流程图。 b) 在 低速和高速模式下触发游戏角色移动的演示,动作指令分别由人类手指靠近和触摸触发。 c)   演示电子地图导航和 d) 电子文档滚动浏览。
 

5   a)  基于人造皮肤的非接触材料分类系统。 a) 非接触式材料分类的工作原理图。 b -d ) 演示人造皮肤成功分类聚合物,金属和人体。

原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206830

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