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能够模拟人手感知能力的电子皮肤

时间:2019-04-23 阅读:
大量独特定位的微电容器使机器手套能够感知皮肤压力和剪切力,提供类似于人手的触觉和感知能力。

开发与人手媲美的的机器手所面临的多方面挑战仍然是需要大量研究的课题。毋庸置疑,研究人员在复制人手诸多功能和特征,如某项或几项性能(抓取和操纵等)已经取得了一些进展。然而,人手是多功能的结合,如骨骼结构、肌肉力量、完全控制的关节、压力/剪切力/运动/加速度/温度感知,等等,并在很宽泛的动态范围内拥有这些属性。

斯坦福大学(Stanford University)研究人员正在展开的工作展示了在尝试提供与人体皮肤相同感知能力所面临的挑战和进步。由化学工程师鲍哲南(Zhenan Bao)领导的团队开发目标是在手套的指尖嵌入“连续”传感器。传感器能够同时测量力的强度和方向,两个反馈因子对实现完全控制的灵活性至关重要,这是不需要经过有意识思考的人手所提供的壮举。

在观察这款手套之前,应该先了解皮肤结构,它不仅仅是一个灵活、充满神经的保护层。外皮层布满传感器以检测压力、热量和其他刺激物;当然,手指和手掌上都是密集的触摸传感器。但是这可谓只是表层。表层之下是被称为棘层的皮肤内层,看起来像丘陵和山谷的凹凸不平的微观地带。这些突起(bump)是传感“机制”的重要组成部分。

两层皮肤紧密结合,以整合感官信号。当手指接触皮肤表面时,皮肤外层会移动到更接近底层的棘层。轻微的触感主要来自棘层的“山顶”,当施加更大的压力时,将外皮层推入棘层的“山谷”,以引发更强烈的触感。

虽然看起来相当简单,但是只是其中的一部分。皮肤的凹凸层能够感知更多,它揭示了压力的方向(剪切力)。当手指朝一个方向按压时,在微观山丘的另一侧会产生强烈的感知信号。感知和评估剪切力大小的能力对实现温和有力的动作(例如在拇指和食指之间保持易碎物体)而言至关重要。

工程上的挑战是从电学角度复制皮肤功能并开发出多层手套。为了实现上述目标,研究团队采用了三层布局,由绝缘橡胶层分隔电活性顶层和底层。底层也有金字塔结构的小突起,类似于皮肤;它们共同形成具有密集感测点阵列的二维网格。纳米电容器的布局包括嵌入聚氨酯(polyurethane, PU)的碳纳米管(carbon-nanotube, CNT)顶部和底部电极;它们可以测量和区分正向力(垂直于表面)和切向(剪切)力(图1)。

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图1 电子皮肤的制造和组装(A)—该装置由三层组成,通过层压组装:底部是厚度为1mm,带有山丘阵列的聚氨酯层(山丘直径1 mm,高度20 μm)(i);中间是厚度为10 μm的介电层,作为顶部和顶部电极之间的间隔层(ii);顶部是厚度为60 μm,带有金字塔阵列的聚氨酯层(iii)。电极由喷涂和光刻实现图案化的导电碳纳米管制成,嵌入聚氨酯基质中(电极宽度300 μm,两个电极之间的间距50 μm)。制作电子皮肤的光学图像和山丘、电极上的特写视图(插图)(B)。光学成像显示了碳纳米管-聚氨酯互连用于LCR测试仪进行信号记录,以及顶部具有模制金字塔的电子皮肤层SEM图,显示了碳纳米管-聚氨酯和聚氨酯区域(插图)(C)。

但是这些感测点并非简单的电容器。电子皮肤的顶层包括模制的方形金字塔网格,当施加外力时,金字塔会发生弹性变形。电子皮肤的底部使用二维阵列模制山丘以模仿人体皮肤中的棘层;这些对于测量和区分施加力的方向是必不可少的。每个山丘对应25个电容器,每个电容器大小为90,000 μm2,山顶有1个电容器,斜坡有4个电容器,四个角落各有1个电容器,山丘周围有16个电容器(图2)。

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图2 围绕山丘的不同电容器(像素)位置示意图,其中1个位于山顶,4个位于斜坡,4个位于角落,16个位于山丘周围。

位于山丘一侧并承受较大压力的电容器电容增长幅度大于与施加力方向相反的一侧(分别为正向力、剪切力和倾斜力)(图3)。围绕山丘的电容图提供了区分几种不同类型的施加力的能力,单独的单个像素则无法提供上述信息。

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图3 测量仿生电子皮肤的响应特性;以一个山丘为中心的5 × 5电容器传感器阵列的特点在于通过施加正向力(a)、施加剪切力(b)和施加倾斜力(c)来测量压力响应曲线。每个色带对应5%的ΔC/Cmin变化,与没有施加和施加过压力的电容相一致。

该团队通过模拟研究了电子皮肤参数,以最大限度提高其灵敏度、信噪比(SNR)和时间响应权衡。他们使用了多种金字塔尺寸(宽度为10、20、30、40、50 μm)和分隔距离(比例b/a=0.4、0.8、1.2、1.6、2和4,其中a + b是两个金字塔中心之间的距离)。

将手套放置在实体模型柔性手上,将它连到安装在KUKA IIWA机器人臂的雄克(Schunk)WSG 50夹具上以提供驱动。算法利用反馈回路中的感测读数来指导戴手套的机器手轻柔触摸浆果或像人手一样举起并移动一个乒乓球。这是通过使用传感器来指示剪切力,并控制戴手套的手以根据人体功能需求去调整其动作而实现的(图4)。

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图4 传感器足够灵活,可以在不压碎一颗蓝莓的情况下,让手指拾起并抓住。

人体皮肤的基础知识,以及电子皮肤的设计、材料、制作和应用的全部细节都发表在《Science Robotics》期刊上,一篇非常易读且内容丰富的论文中,论文题目为“A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics”,包括其补充信息。

此项研究工作中的一部分得到了瑞士国家科学基金会(Swiss National Science Foundation)、欧洲委员会(the European Commission)、美国国家科学基金会(National Science Foundation)和斯坦福纳米共享设施(Stanford Nano Shared Facilities)的支持。

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