電子皮膚(e-skin)是人造機器人中重要的環(huán)境感知組件,需要對各種觸覺(jué)信號敏感,包括應力、溫度、濕度。傳統的方法是使用不同類(lèi)型的傳感器陣列的組合來(lái)直接測量多個(gè)物理信息,這確保了信號之間不會(huì )相互干擾。為了獲得更準確的物理信息,需要依賴(lài)更大密度和更廣泛種類(lèi)的傳感器。然而,復雜的制造過(guò)程和有限的傳感器種類(lèi)限制了電子皮膚應用。另一種解決方案是創(chuàng )建和檢測觸覺(jué)相關(guān)物理量的場(chǎng),包括應力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和磁場(chǎng)等。場(chǎng)在時(shí)間和空間上的連續性使我們能夠用有限的數據擬合和再現整個(gè)場(chǎng),從而以較小的代價(jià)做出更準確的預測。以往的研究采用光學(xué)方法檢測應力場(chǎng)的變化,可以獲得與傳感器接觸的物體的形狀和硬度,但受限于相機的尺寸和剛性特性,光學(xué)方法難以應用于復雜曲面和柔性部位。另一項研究巧妙地利用傳感材料本身作為應力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的載體,通過(guò)分析這兩個(gè)場(chǎng)的空間分布,可以識別各種觸覺(jué)運動(dòng)。但這種方法只能給出粗略的觸覺(jué)運動(dòng)分類(lèi),不能給出準確的物理結果,也不符合人類(lèi)的習慣。
作為一種精巧而強大的觸覺(jué)器官,皮膚使人類(lèi)能夠快速響應并與周?chē)h(huán)境進(jìn)行精確交互。此外,由于皮膚具有柔軟且可拉伸的特性,它可以將復雜的外部接觸力轉化為自身的形變,從而構成內部應力場(chǎng)(圖1),并通過(guò)各種觸覺(jué)感受器實(shí)現對該應力場(chǎng)的精確傳感。這種應力場(chǎng)傳感方法對皮膚內部的觸覺(jué)感受器提出了很高的要求,以便在大的形變和壓力下穩定工作。例如,邁斯納小體(又稱(chēng)觸覺(jué)小體)是皮膚表皮中的一種觸覺(jué)感受器,由神經(jīng)末梢、雪旺細胞和結締組織組成,盤(pán)繞的神經(jīng)末梢與扁平的雪旺細胞構成靈敏的機械感受器,周?chē)慕Y締組織將它們包裹得非常嚴密,以確保邁斯納小體即使在皮膚發(fā)生較大形變和壓力的情況下也能穩定工作。
圖1 邁斯納小體結構的應力場(chǎng)傳感和仿生示意圖
近期,受人體皮膚的機械刺激傳感原理以及皮膚結構支持應力場(chǎng)傳感原理的啟發(fā),深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院柔彈性電子與納米傳感器(SENS)研究中心設計了一種稱(chēng)為仿生機械感受器(BMRs)的電子皮膚,通過(guò)重構應力場(chǎng),該電子皮膚具有仿生、結構簡(jiǎn)單、運行穩定以及多參數傳感的特點(diǎn)。相關(guān)研究成果以“Multi-parameter e-skin based on biomimetic mechanoreceptors and stress field sensing”為題發(fā)表于npj flexible electronics期刊。
該仿生機械感受器模擬人類(lèi)皮膚的結構,由“表皮”傳感陣列、“真皮”傳感陣列以及夾在二者之間的類(lèi)皮膚形變層組成。其中,類(lèi)皮膚形變層由彈性體制成,作為應力場(chǎng)的載體,形變層一旦受到外力作用,很容易發(fā)生形變;“表皮”傳感陣列和“真皮”傳感陣列中包含模擬邁斯納小體結構的壓力檢測單元,對形變層頂部和底部的應力場(chǎng)分布進(jìn)行采樣。
圖2 仿生機械感受器(BMRs)和組件的制備流程
通過(guò)重構和分析應力場(chǎng),該仿生機械感受器可以精確測量三維力,并區分不同硬度的物體,無(wú)需集成多個(gè)傳感器即可以直接測量相應的觸覺(jué)信號。此外,由于應力場(chǎng)的變化只受外力的影響,不依賴(lài)于采樣位置,這種電子皮膚可以用簡(jiǎn)單的方法制造,而且易于集成在曲面上,用于實(shí)際的觸覺(jué)任務(wù)。
圖3 基于應力場(chǎng)傳感的三維力檢測
圖4 物體硬度的測量
更重要的是,這種應力場(chǎng)傳感原理允許模塊化設計,即仿生機械感受器的每個(gè)部分都可以根據特定的傳感需求進(jìn)行替換。例如,對于機器人指尖的靈敏觸覺(jué)傳感,可以使用低模量凝膠作為高靈敏傳感陣列的形變層;而對于主要需要高應力疲勞抵抗的機器人關(guān)節,可以使用高強度橡膠作為形變層,并使用傳感陣列實(shí)現寬測量范圍。因此,該研究為機器人觸覺(jué)傳感提供了一種通用且可靠的解決方案。
圖5 仿生機械感受器(BMRs)模塊化及其在曲面上的應用演示
總體而言,該應力場(chǎng)傳感方法代表了一種能夠從簡(jiǎn)單的電子皮膚結構中獲得多參數觸覺(jué)信號的策略。值得注意的是,這種簡(jiǎn)單的方法也是強大的、可靠的和普遍適用的。