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仿生皮膚新策略：觸感超靈敏，痛感可調(diào)節(jié)
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)研究員陳濤、肖鵬等人，設(shè)計(jì)了一種懸浮雙層傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超靈敏的觸感和可調(diào)節(jié)的疼痛感知，在仿生電子和友好人機(jī)交互等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
這個(gè)被認(rèn)為非常有趣的成果，日前發(fā)表于《先進(jìn)材料》期刊。
觸覺、痛覺應(yīng)高效耦合
作為電子皮膚的重要分支，利用多樣感知機(jī)制（比如，壓阻、電容、壓電、摩擦電等），柔性觸覺傳感器已被開發(fā)并成功模仿人體皮膚的觸覺性能/功能。
同時(shí)，痛覺作為另一種重要的感覺，可以幫助人類有效避免潛在危險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。
近年來，研究人員通過采用晶體管、憶阻器等突觸型器件，或液態(tài)金屬復(fù)合材料開發(fā)了人工痛覺感受器，實(shí)現(xiàn)無害和有害的痛覺感知。
然而人體皮膚的感知系統(tǒng)并不局限于單一的觸覺或痛覺感知。
相反，它表現(xiàn)出觸覺和痛覺感知功能的高效耦合。因此，在人工感知系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺集成感知引起了越來越多研究人員的關(guān)注。
文章通訊作者之一肖鵬告訴《中國科學(xué)報(bào)》，目前有兩種策略可以實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺集成感知。
最經(jīng)典的方法是將力傳感器和突觸類器件結(jié)合，利用力傳感器的輸出，控制晶體管或憶阻器的激活，從而實(shí)現(xiàn)觸覺和痛覺狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)切換。
另一種集成策略是構(gòu)建具有獨(dú)特電學(xué)響應(yīng)行為的一體式力傳感器，比如通過傳感組件之間的靈敏度差異或者靈敏度突變特性來響應(yīng)觸覺和痛覺。
但是這兩種構(gòu)建策略都存在一些局限。
石墨烯雙層傳感結(jié)構(gòu)
肖鵬表示，以分散形式結(jié)合力傳感器和突觸器件會(huì)增加集成系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造難度。
盡管一體式傳感結(jié)構(gòu)可以簡化耦合過程并實(shí)現(xiàn)高效集成，但目前的人工感知系統(tǒng)主要關(guān)注觸覺和痛覺的集成策略和耦合過程，而忽視了人體皮膚特有的感知性能和功能。
在人體皮膚感知系統(tǒng)中，機(jī)械閾值誘導(dǎo)的受體激活是產(chǎn)生觸覺和痛覺的主要原因。
此外，人體皮膚追求超靈敏觸覺和痛覺功能的高效集成，并通過電信號(hào)突變行為來指示兩種感覺之間的動(dòng)態(tài)切換。
因此，向人體皮膚的感知行為學(xué)習(xí)，通過合理的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有靈敏觸覺和痛覺功能高效耦合的人工感覺系統(tǒng)具有重要的意義。
陳濤、肖鵬等人基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感方面的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的由石墨烯導(dǎo)電薄膜組成的懸浮雙層傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械閾值介導(dǎo)的觸痛高效集成感知，也就是超靈敏的觸感和可調(diào)節(jié)的疼痛感知。
具有觸痛集成感知的懸浮雙層電子皮膚及其友好人機(jī)交互應(yīng)用。受訪者供圖
有趣的成果
在該工作中，雙層感知結(jié)構(gòu)主要由懸浮彈性形變層和機(jī)械接觸感應(yīng)基底構(gòu)成。
相比于單一懸浮構(gòu)型，雙層結(jié)構(gòu)利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機(jī)械接觸行為分別觸發(fā)低閾值和高閾值傳感模式。
在微觀層面上，石墨烯納米片層依次通過橫向電分離和縱向電接觸響應(yīng)觸覺向痛覺的轉(zhuǎn)變，并表現(xiàn)出電流反向突變行為。
懸浮式結(jié)構(gòu)可以靈敏捕捉微弱形變，能分辨20 μm的微小動(dòng)態(tài)位移并檢測到低至0.02 Pa的極微弱觸覺信息。通過改變材料和器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，痛覺響應(yīng)范圍和痛覺閾值可以靈活調(diào)節(jié)。即使在5200次觸—分離循環(huán)刺激下，還能保持穩(wěn)定可靠的觸痛響應(yīng)性能。
此外，通過構(gòu)建小型化傳感陣列并結(jié)合光學(xué)反饋模塊，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)尖銳物體的可視化觸覺感知和痛覺預(yù)警。最后，集成到商用機(jī)器人手部的懸浮雙層傳感器可以作為高效、安全的人機(jī)界面，主動(dòng)保護(hù)人類免受機(jī)器傷害，同時(shí)避免機(jī)械力對(duì)機(jī)器人皮膚帶來的持續(xù)損傷。
肖鵬表示，基于三維形變和機(jī)械接觸機(jī)制的懸浮式人工感知系統(tǒng)高效模仿了生物皮膚的觸痛感知行為，在仿生電子和友好人機(jī)交互等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。
對(duì)于該成果，《先進(jìn)材料》審稿人認(rèn)為：這種類型的傳感器很有趣，因?yàn)樗鼮殚]環(huán)控制和高靈敏度觸覺反饋提供了新的機(jī)會(huì)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202403447
