軟體人工電感受器：未來的非接觸式傳感器

生物系統(tǒng)為最先進(jìn)的仿生電子學(xué)提供了理想的模板，典型的有仿人機(jī)器人、 人工受體、 執(zhí)行器和假肢。類似于皮膚的機(jī)械感受器，對(duì)周圍環(huán)境的機(jī)械刺激有高度反應(yīng)的觸覺傳感器已被部署在自主設(shè)備、人機(jī)界面（HMI）和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的各種應(yīng)用中。然而，觸覺傳感器只有在被物理觸摸或侵入時(shí)才會(huì)工作，但對(duì)預(yù)先接觸的刺激卻沒有反應(yīng)。因此，開發(fā)能夠探測(cè)近端預(yù)接觸事件的先進(jìn)傳感器是至關(guān)重要的，這需要開發(fā)超越接觸模式范式的可靠傳感系統(tǒng)。然而，接觸前探測(cè)仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗婕暗叫枰趯?shí)際距離內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)的微弱信號(hào)。以前的工作已經(jīng)證明了基于光感元件、電磁技術(shù)或超聲波傳感器的預(yù)接觸或非接觸檢測(cè)。這些策略通常依賴于感知紅外輻射或可見光譜，而它們受到環(huán)境參數(shù)的嚴(yán)重影響，如環(huán)境光、 天氣變化和溫度。此外，隨著軟體機(jī)器人和可拉伸電子器件（28）的發(fā)展，未來的非接觸式傳感器或界面也需要有足夠的靈活性或可拉伸性。

研究成果

人工觸覺傳感器構(gòu)成了基于觸摸的人機(jī)界面應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，在物理接觸之前，它們無法對(duì)遠(yuǎn)程事件作出反應(yīng)。一些魚類，如鯊魚，使用電接收體感系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程環(huán)境感知。受這種能力的啟發(fā)，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、蒲雄研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種軟體人工電感受器，用于感知接近的目標(biāo)。該電感受器由一個(gè)彈性駐極體促成，能夠?qū)h(huán)境預(yù)接觸信息編碼為一系列電壓脈沖，作為獨(dú)特的預(yù)接觸人類界面。電感受器的應(yīng)用被展示在一個(gè)預(yù)先警告系統(tǒng)、機(jī)器人控制、游戲操作和三維物體識(shí)別中。這些感知近端預(yù)接觸事件的能力可以豐富人機(jī)界面電子的功能和應(yīng)用。相關(guān)研究以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

研究亮點(diǎn)

1. 受鯊魚電感系統(tǒng)的啟發(fā)，使用耐用和生物兼容的部件設(shè)計(jì)了一個(gè)靈活的透明人工電感受器。該電感受器采用單電極配置，其結(jié)構(gòu)包括一層帶熱電的彈性駐極體，一層作為離子電極的導(dǎo)電有機(jī)水凝膠，以及一層封裝的硅膠基質(zhì)PDMS。2. 在此基礎(chǔ)上，多功能的無接觸式人機(jī)界面被設(shè)計(jì)成可以確定目標(biāo)的方向，操縱機(jī)器人手臂，并成功地玩電腦游戲。在機(jī)器學(xué)習(xí)算法的輔助下，它還證明了人工電感受器矩陣在區(qū)分目標(biāo)的表面輪廓方面的可行性。3. 這項(xiàng)工作為使用軟性設(shè)備的復(fù)雜和多維環(huán)境感知提供了見解，可能在可穿戴設(shè)備、軟性機(jī)器人、智能假肢、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面找到廣泛的應(yīng)用。

Fig. 1. Bioinspired soft electroreceptor.

Fig. 2. The characteristics of the electroreceptor for precontact sensing.

Fig. 3. Noncontact HMIs based on the electroreceptor.

Fig. 4. Bioinspired electroreceptor matrix for artificial proximal somatosensory system.

總結(jié)與展望

對(duì)更多功能的人機(jī)互動(dòng)的要求需要超越傳統(tǒng)的直接接觸模式的感應(yīng)系統(tǒng)。作者從鯊魚的電接收策略中獲得初步靈感，制造了一個(gè)可拉伸的透明人工電感受器，通過檢測(cè)它們自然攜帶的電荷來感知接近的目標(biāo)。人工電感受器能夠?qū)h(huán)境預(yù)接觸信息編碼為電壓脈沖，各種類型的目標(biāo)，包括金屬、玻璃、塑料、聚合物和天然材料，都能被成功感應(yīng)到。然后開發(fā)了沒有物理接觸的人機(jī)界面，以展示各種應(yīng)用，包括感知接近的目標(biāo)，操縱機(jī)器人手臂，以及玩電腦游戲。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，還展示了使用電感受器矩陣構(gòu)建人工近端體感系統(tǒng)進(jìn)行三維物體識(shí)別的可行性。

與最先進(jìn)的非接觸式傳感器，如激光、射頻和超聲波傳感器相比，該電感受器在距離感應(yīng)精度方面可能存在缺陷;而在縮短距離時(shí)，電感受器的反應(yīng)更靈敏，這可能是有利的，因?yàn)槎叹嚯x精度可能是激光或超聲波傳感器的一個(gè)限制。此外，這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)將使我們的電感受器在某些應(yīng)用中更有競(jìng)爭(zhēng)力，包括（i）由于使用了彈性體和水凝膠材料，它具有內(nèi)在的柔軟性、可伸展性、透明度和生物相容性；（ii）傳感器的功耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗约簳?huì)從運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電壓信號(hào)；以及（iii） 適用于各種材料，盡管它是透明的、導(dǎo)電的、磁性的或不是。因此，提出的用軟性設(shè)備實(shí)現(xiàn)電感知的策略被認(rèn)為可以豐富感知的維度，設(shè)想超越接觸模式范式的人機(jī)交互電子裝置將成為主流的交互手段，特別是在這個(gè)COVID-19大流行中。

文獻(xiàn)鏈接

Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation， Sci. Adv. 8， eabo5201 （2022）， https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abo5201