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“电子皮肤”的奥秘

2019-03-11
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电子皮肤又称新型可穿戴柔性仿生触觉传感器,是一种可以让机器人产生触觉的系统,其结构简单,可被加工成各种形状,能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。



生物皮肤:感受不同类型的压力(硬度);感受温度与热量;感受空气及水流;感受痛觉等(保护作用)。


电子皮肤:首先具备生物皮肤现有的功能;甚至具有生物皮肤不具备的功能:如感受声波,超声波,测量血压,心跳等更加先进的功能。



电子皮肤研发历史


早在2003年,日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜,通过其表面密布的压力传感器,实现了电子皮肤感知压力。


时隔两年,该研究团队又在特殊塑料薄膜中重叠嵌入分别感知压力和温度的两组晶体管,在晶体管电线交叉的位置使用微传感器记录电流起伏,可判断出日常温度和每平方厘米300克以上的压力。


2009年底,飞利浦研究实验室宣布他们已经完成一项新的技术E-skin(电子皮肤),主要用于产品的外观装饰。电子皮肤是飞利浦正在进行的电子纸研究的一部分,利用这项技术可以对各种产品覆盖一层“变色皮肤”。


电子皮肤可以覆盖在各种设备上,不需要使用背光光源,它可以接受周围环境的光线来实现颜色适配和节能,在户外也能像油漆一样保持色彩明亮生动。这项新技术初期将用于手机、MP3等小型设备的外观增强。


而美国加州大学伯克利分校研究团队设计出的电子皮肤,可辨别更细微的压强,这种由聚合树脂和敏感橡胶覆盖锗硅混合纳米线制成的皮肤,可感知50克以下的细微压力。


随着尖端材料科学研究的深入,石墨烯、碳纳米等特殊材料因超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性,被科学家认为是电子皮肤的优良“基底”。例如,由我国研究人员使用碳纳米管传感器制成的高灵敏度皮肤,甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量。


电子皮肤的作用


1、让烧伤病人不用忍受切肤之痛


皮肤作为人体最大的器官,其重要性不言而喻。对烧伤病人和肢体残疾人士来说,皮肤的不可修复性损坏给他们带来了身心伤害。而电子皮肤,能够帮助他们重获皮肤功能。


2、让机器人更智能


现有电子皮肤技术使机器人和机械假肢能够抓住和操作物体,识别表面纹理和硬度,感受物体的温度状况。然而在此之前电子皮肤可以同时非常灵敏地探测热量和不同类型的压力是很难实现的。



3、未来的可穿戴设备


电子皮肤,因为它跟皮肤一样又软又薄,可以轻易的把它贴在身体上,能够测量出人体的含氧量,用于其他生理体征的监测,让智能手环成为过去。



电子皮肤的基本结构及工作原理


电子皮肤由三维界面应力检测单元、局部点微应力检测单元和外围电路组成。三维界面应力检测单元由新型平板电容压力传感器组成,用于实时检测三维界面应力的大小,包括与界面垂直的向正应力和与界面相切的向剪应力和向剪应力。微应力检测单元由新型声表面波压力传感器组成,用于检测局部点的微应力大小。



基本原理


新型平板电容传感器相互连接组成传感器阵列,将新型声表面波压力传感器嵌入到需要检测微压力的指定点,然后将传感器阵列与外围电路相连,组成完整的电子皮肤。电子皮肤能够实时检测各个传感器单元处的三维界面应力大小和指定点的微应力大小,将各个点的检测数据输出到外围电路,以达到实时检测作用于电子皮肤的界面应力分布的目的。


电子皮肤应用原理:



电子皮肤传感器种类


1、新型平板电容压力传感器


电子皮肤新型平板电容压力传感器采用传统的三层结构设计:表层,中间层和底层,如左图所示。在表层耦合驱动电极,底层耦合感应电极,中间层采用超弹塑性材料。当传感器表层加载力时,中间层的弹塑性材料发生应变,从而引起驱动电极和感应电极之间的距离和面积发生变化,根据输出电容的变化,达到检测加载的压力大小的目的。



平板电容的电容大小与电极的面积成正比,与电极间的距离成反比。当改变电极之间的面积或者距离时,会引起输出电容发生改变。基于平板电容的传感器正是利用改变平板电极间的面积或距离,引起输出电容的改变来测定被测对象发生的变化的。


2、新型声表面波压力传感器



新型声表面波压力传感器采用延迟线结构,由压电衬底、输入叉指换能器、输出叉指换能器和外围电路构成。压电衬底釆用悬臂梁结构,即一端固定,另一端加载微压力。输入叉指换能器激励出声表面波,经过压电衬底传播到输出叉指换能器,输出叉指换能器将接收到的声表面波还原成电信号,与放大器相连,输出频率信号。当微压力加载于悬臂梁一端时,悬臂梁发生应变,使得声表面波的传播路径发生改变,从而引起输出频率发生变化,利用输出频率的变化可以检测加载于悬臂梁的微压力。


电子皮肤的产品应用


假肢制造


我国残疾人总数:8千余万,占总人口的6.3%,其中肢体残疾2千多万,占残疾人比例的三成。绝大多数截肢者靠假肢活动,假肢的质量很大程度影响他们的生活质量。



电子皮肤的功能不局限于感受压力,它内置了超薄、单晶硅纳米带,上面布有传感器整列,包括压力传感器,温度传感器,湿度传感器,应变传感器,组热加热器等其他神经刺激传感器。电子皮肤能够对外部刺激做出快速反应,更加接近人体真实皮肤对外部世界反应时间,从而大大方便残疾人的生活。



智能穿戴设备


电子皮肤通过静电贴在皮肤上后,能够通过实时监测脉搏、心跳、体温、肌肉群震动等人体健康生理指标,对人体健康数据变化及时做出反馈,实现疾病的前期预防和诊断。更令人称道的是,这款电子皮肤还设计了一个药物接口,可以根据人体实时数据和健康状况,将药物直接通过电子皮肤释放到人体内,更快速有效完成治疗过程。



电子皮肤可具有显示的功能,显示屏可以粘附到人身上,显示各种生理指标数据,如心率或血氧水平,甚至也可以显示表情和压力水平。除了无需随身携带设备外,这一技术还能增强我们与周围世界交互的方式,或增添一个全新的沟通渠道。有朝一日,人们将能在衣袖上显示自己的心情,甚至是状态更新。


智能机器人的研发


电子皮肤可以使机器人拥有和人类、动物一样的触觉,使其更加人性化,智能化。电子皮肤包含数百个独立的传感器,借助传感器收集的信息,机器人可以利用所谓的“触觉“来控制走向,识别周围的情况,找出最佳的行进路线。通过电子皮肤和数据的计算,机器人能够实时对障碍物进行反应,实现其自主灵活的运动。



电子皮肤覆盖在机器人的机械手臂上,使其十分灵活,还可以控制触碰物体时的力度。依靠这种“电子皮肤”,机器人不仅能感知到物体的地点和方位,还能获得物体的硬度、强度、温度、表面纹理等。机械臂会通过触感决定下一步动作和移动方向。基于一些巧妙的数学运算,机器人完全可以按照指令完成既定的任务。



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