【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】作為電子皮膚的重要分支，基于多種感知機(jī)制的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。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，研究人員通過采用突觸型器件(如晶體管、憶阻器)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。
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。然而，上述兩種構(gòu)建策略都存在一些局限。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(jiǎn)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。如圖1a所示，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，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。
近期，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)陳濤研究員、肖鵬研究員基于在碳基/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)了一種由石墨烯導(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。
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，石墨烯納米片層通過連續(xù)的橫向電分離和縱向電接觸來響應(yīng)觸覺向痛覺的轉(zhuǎn)變，并表現(xiàn)出電流反向突變行為(圖1b)。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(cè)到低至0.02 Pa的極微弱觸覺信息。即使在5200次循環(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)器人皮膚帶來的損傷(圖1c)。總之，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)出巨大的應(yīng)用潛力。
該工作近期以題為“A Suspended, Three-dimensional Morphing Sensory System for Robots to Feel and Protect”的論文發(fā)表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2024,https://doi.org/10.1002/adma.202403447)。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFC2805200)、國家自然科學(xué)基金(52373094、52073295)、浙江實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目(No.2022MG0AB01)、中德合作國際交流項(xiàng)目(M-0424)、寧波國際合作項(xiàng)目(2023H019)等項(xiàng)目的資助。(海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 周偉、肖鵬)
圖1 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
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