日本研發(fā)首款可保真人體皮膚觸覺(jué)的貼片 可用于人機(jī)界面等各類(lèi)應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，日本東京大學(xué)研究人員近日開(kāi)發(fā)出一款人造皮膚貼片，該貼片不會(huì)影響其接觸的人體皮膚的觸覺(jué)靈敏度。這種新型超薄傳感器由多層導(dǎo)電和電介質(zhì)納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制成，可用于假肢、機(jī)器人輔助手術(shù)、人機(jī)界面以及可穿戴醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀等各類(lèi)應(yīng)用。

皮膚是人體最大的感覺(jué)器官，擁有豐富的神經(jīng)元，它們不斷地監(jiān)測(cè)著環(huán)境中的刺激，并將這些信息傳遞至大腦。因此，優(yōu)秀的人造皮膚必須能夠復(fù)制這種能力。特別是電子皮膚需要高靈敏度的觸摸傳感能力，同時(shí)也能迅速響應(yīng)外界施加的壓力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，電子皮膚需要包含高密度的傳感器，達(dá)到至少50 μm區(qū)域配備單個(gè)傳感器的密度。但同時(shí)也需避免人類(lèi)自然觸覺(jué)的干擾，而事實(shí)證明，這實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。例如，人類(lèi)指尖非常敏感，一小片僅幾微米厚的塑料薄膜就足以削弱人的觸摸感覺(jué)。

“用于手指的可穿戴傳感器必須非常薄?！比毡緰|京大學(xué)Takao Someya研究團(tuán)隊(duì)成員、該論文第一作者Sunghoon Lee解釋道，“但這顯然會(huì)讓傳感器變得非常脆弱，容易因摩擦或反復(fù)物理作用而受到損壞。”

Lee補(bǔ)充道，正是由于該原因，迄今為止開(kāi)發(fā)的多數(shù)電子皮膚都相對(duì)較厚，如由集成納米線(xiàn)的傳感器陣列或微結(jié)構(gòu)橡膠層制成的電子皮膚，它們可以根據(jù)壓力而改變電容或電阻。

人造皮膚貼片由兩層網(wǎng)狀物構(gòu)成

相比之下，由Takao Someya研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的傳感器則非常薄而且可滲透。該器件由兩層構(gòu)成，均采用了靜電紡絲工藝，并基于Akihito Miyamoto及其同事在2017年提出的設(shè)計(jì)制造而成。第一層是絕緣網(wǎng)狀物，由200 nm至400 nm的聚氨酯纖維構(gòu)成；第二層是線(xiàn)路網(wǎng)狀物，構(gòu)成了該器件的功能性電子元件——平行板電容器。第二層主要由金在聚乙烯醇（PVA）支架上制成，PVA是一種常見(jiàn)于隱形眼鏡的水溶性聚合物。一旦第二層制造完成，研究人員就會(huì)將PVA洗去，只留下金支撐物。最終的成品壓力傳感器厚度約為13 μm。

（A）貼附在食指上的納米網(wǎng)狀壓力傳感器（比例尺：5mm），（B）以52°的傾斜角層壓在聚酰亞胺膜上的納米網(wǎng)狀壓力傳感器的橫截面SEM圖像（比例尺：5μm）。

當(dāng)覆蓋傳感器的手指抓住物體時(shí)，電介質(zhì)納米網(wǎng)狀層就會(huì)變形，從而導(dǎo)致兩層之間的電容值發(fā)生變化。當(dāng)研究人員根據(jù)電容—壓力變化曲線(xiàn)的斜率來(lái)評(píng)估器件靈敏度時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳感器測(cè)量的握力值與裸手指的握力值相當(dāng)（施加壓力低于0.141 kPa?1范圍的值小于1 kPa，施加壓力高于0.010 kPa?1范圍值則超過(guò)10 kPa）。

“在18位測(cè)試對(duì)象的幫助下，我們對(duì)該傳感器進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試?！盠ee表示，“該測(cè)試證實(shí)，執(zhí)行相同的任務(wù)，與不攜帶傳感器的對(duì)照組相比，攜帶組的傳感器難以被察覺(jué)，既不影響通過(guò)摩擦力抓取物體的能力，也不影響其感知的靈敏度。這正是我們所希望達(dá)到結(jié)果?！?br />
人造皮膚貼片堅(jiān)固且耐磨

研究人員發(fā)現(xiàn)，該傳感器的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，即使被反復(fù)壓縮后，納米網(wǎng)狀傳感器仍能繼續(xù)正常工作。事實(shí)上，以19.6 kPa擠壓1000次后，該器件的電容僅改變了0.15%。而在這些實(shí)驗(yàn)中，金電極的電導(dǎo)率也保持相對(duì)穩(wěn)定。

另一項(xiàng)有利于該傳感器的性質(zhì)就是其摩擦阻力：實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可以與50 g的物體摩擦300次而不斷裂（相當(dāng)于施加超過(guò)100 kpa的壓力）。在這些測(cè)試中，該傳感器的電氣特性?xún)H發(fā)生了輕微的變化，即使在多次摩擦后，該器件仍對(duì)施加壓力非常敏感。

研究人員將其研究成果發(fā)表于《科學(xué)》（Science），并展望下一步將增加其器件中的傳感點(diǎn)數(shù)量，以及確定壓力在整個(gè)器件中的空間分布情況?！拔覀冞€希望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其他領(lǐng)域的微型傳感器，如溫度、應(yīng)變以及濕度傳感器，最終實(shí)現(xiàn)多模態(tài)傳感?！盠ee向Physics World透露。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966.full

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：日本研發(fā)首款可保真人體皮膚觸覺(jué)的貼片：納米網(wǎng)狀壓力傳感器

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