最新电子皮肤的触觉有多灵?连空气流动都能感受到

百家 作者:量子位 2021-07-09 19:04:20 阅读:271
丰色 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

你知道电子皮肤吗?

它可以让安装假肢的人恢复触觉;

让机器人体会拿起一个苹果或杯子所需的力量差异;

将它与智能手表和腕带等结合,还可实现“智能把脉”……

可谓用处多多!

而如何让电子皮肤感受不同物体表面的差异,摸出不同粗糙度的那种,一直是个不小的挑战。

相关研究的最新进展来自中国科学院上海高等研究院,研究人员设计出了一种基于碳材料、具有指纹微结构的3D打印电子皮肤。

该皮肤可以精确检测压力,摸出物体表面微米级别的差异!

甚至连空气的流动都不放过!

成果已发表在综合性材料期刊ACS Applied Materials & Interfaces。

PDMS微球+石墨烯的创意组合

这个电子皮肤的材料由聚二甲基硅氧烷(PDMS)微球与石墨烯组成。

除此之外,研究人员受到人类指纹的启发,将它赋予了指纹微结构。

 指纹微结构电子皮肤由基底层、电极和传感器层等组成

制作过程如下:

首先将PDMS加水进行乳化、离心和固化制成PDMS微球 (microspheres),与石墨烯混合。

其中,使用未交联PDMS-石墨烯混合液态先驱液包覆微球。

然后将混合溶液充分搅拌,得到均匀的凝胶状油墨

接着用3DMAX建好具有指纹结构的触觉传感器模型。

最后,使用打印机在2分钟之内打印出一张高为0.3mm、直径为20mm的实体,再经过60°C的高温固化5个小时,一张“电子皮肤”就完成了!

这个新型电子皮肤的效果如何?

研究人员进行了力学性能测试、10μm/s加载速度的压力传感测试以及摩擦测试等等。

可摸出物体表面微米级别的差异

首先来关注它能否区分微观结构下不同粗糙度的物体表面

下图(a)为显微镜下4个不同激光纹理表面样本,单位:μm,(d)为人类手指对该4个样本的触觉反应:

使用以下装置和操作对该电子皮肤的粗糙反应度进行测试:

可以发现,该电子皮肤可以精确区分不同粗糙度的物理表面:

 左为不同粗糙度的激光毛化表面在外加压力作用下的摩擦力,右为不同摩擦力作用下的阻力变化

除此之外,该电子皮肤还具有一下优点:

1、拉伸能力强健:传感层的伸长率可达70%。不过随着石墨烯含量的增加,该性能会下降;

2、响应时间短:60ms的瞬时响应;

3、灵敏度高:随着压力的降低(2.9kPa到0.18kPa),该皮肤的灵敏度从0.55kPa⁻ ¹增加到2.4kPa⁻ ¹ 

这表明该皮肤有在低压下进行压力传感的潜力,比如感受人类皮肤的光触觉

4、风荷实验结果表明,在风速为1m/s的流体环境中,该传感器还能有效地“触摸”到气体和其他流体的变化。

以上表明,这个基于PDMS微球和石墨烯所构建的电子皮肤,不仅可以用于对不同粗糙度表面的检测,还可用于气流监测、声音检测等。

最后,研究团队表示,这项工作为电子皮肤的研究提供了新思路,也可应用于可穿戴设备的传感设计。

论文地址:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c04079


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