Nat. Commun.：受象鼻魚啟發(fā)的電子皮膚，用于主動非接觸式三維跟蹤和傳感

第一作者：Jingkun Zhou，Jian Li，Huiling Jia，Kuanming Yao

通訊作者：Xinge Yu

通訊單位：香港城市大學(xué)

DOI:10.1038/s41467-024-54249-3

皮膚是大多數(shù)生物物種最大的器官之一，具有多種基本功能，如保護(hù)、感覺、調(diào)節(jié)溫度、儲存能量、營養(yǎng)合成和免疫。在自然界中，各種動物的皮膚都具有許多令人著迷的能力。象鼻魚是弱電魚的一個超家族，能夠利用電場主動探測獵物。通過皮膚，它們可以感知周圍環(huán)境，并對獵物進(jìn)行三維 (3D) 定位，即使獵物隱藏在泥漿下。

近年來，機(jī)器人技術(shù)和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實 (VR/AR) 的快速發(fā)展導(dǎo)致對輕便、便攜式傳感器的需求增加，這些傳感器能夠以非接觸方式精確感知 3D，以便在各種應(yīng)用中實現(xiàn)沉浸式 3D 內(nèi)容。柔性電子技術(shù)的進(jìn)步使得電子皮膚 (E-skin) 能夠以薄而軟的形式開發(fā)出來，從而最大限度地與人體皮膚或機(jī)器人相符，實現(xiàn)共形集成。這一重大進(jìn)展不僅為電子皮膚實現(xiàn)觸覺/反饋的人機(jī)界面 (HMI)開辟了新的可能性，還為持續(xù)健康監(jiān)測開辟了新的可能性，例如心電圖 (ECG)、汗液和其他生理信號。然而，現(xiàn)有的電子皮膚面臨幾個限制：(i) 手勢識別能力有限，因為設(shè)備基于慣性傳感器、應(yīng)變傳感器、超聲波或心電圖 (EMG) 信號，只能識別少數(shù)特定手勢；(ii) 通常涉及龐大的處理系統(tǒng)，因為最先進(jìn)的技術(shù)基于成像器、磁場、射頻或靜電理論。

具有主動感知能力的象鼻魚皮膚可能為新型電子皮膚提供良好的啟發(fā)，該電子皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式、高集成度的精確三維空間定位，這是一個尚未探索的課題。象鼻魚尾部的發(fā)電器官通過切換離子通道來控制鉀離子和鈉離子跨細(xì)胞膜的遷移，從而使發(fā)電器官放電并發(fā)出電脈沖。具體來說，象鼻魚有兩種類型的結(jié)節(jié)性電感受器，即象鼻魚桅桿和諾倫器官，它們可以檢測不同頻率和強(qiáng)度的電信號。因此，它們可以感知周圍物體引起的電場扭曲，從而瞄準(zhǔn)獵物。

1. 本工作報告了一種非接觸式位置定位概念，該概念由具有三維傳感能力的透明薄軟電子皮膚 (E-skin) 實現(xiàn)

2. 受象鼻魚主動電感應(yīng)的啟發(fā)，這種電子皮膚可以以非接觸方式主動確定目標(biāo)物體的 3D 位置，并可以實時將相應(yīng)位置無線傳送到其他設(shè)備。

3. 這種電子皮膚可以輕松實現(xiàn)與機(jī)器的交互，即在虛擬或?qū)嶋H的 3D 空間中操縱虛擬物體、控制機(jī)械臂和無人機(jī)。

4. 它可以與機(jī)器人集成，為它們提供 3D 態(tài)勢感知，以感知周圍環(huán)境、避開障礙物或跟蹤目標(biāo)。

圖1. 仿生透明電子皮膚。

a 象鼻魚使用其電器官和電感受器來檢測獵物。b電動琴的工作機(jī)構(gòu)。c 象鼻魚的兩種類型的結(jié)節(jié)性電感受器，壺腹器官（左）和球狀器官（右）。d 使用電子皮膚檢測目標(biāo)的機(jī)器人示意圖。e 發(fā)射電極的工作機(jī)制。f 接收電極的工作機(jī)制。g 傳感器的光學(xué)照片展示了其柔韌性、薄度和柔軟性、拉伸性和透明度。h 帶有離散傳感器的設(shè)備的光學(xué)照片。

圖2. 電子皮膚的特點。

a E-skin 傳感器模塊的分解示意圖。Rx，接收器；Tx，發(fā)射機(jī)。b E-skin控制電路模塊的分解示意圖。ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器。c 模擬目標(biāo)對靜電場的影響。d E-skin 的等效電路模型。e Tx 電極發(fā)射的信號和 Rx 電極接收的信號。f CHand 和 VO 在手指和傳感器之間的不同距離處。g 距傳感器不同距離處傳感器的 SNR。h 待優(yōu)化參數(shù)示意圖。(i) 具有不同電極設(shè)計的傳感器的響應(yīng)和 j 靈敏度，以及優(yōu)化電極的結(jié)果。條形高度，平均值；誤差線，s.d.；n?=?5個獨(dú)立樣本。k 皮膚和兩種屏蔽方案對傳感器性能的影響。l 傳感器在400-1000 nm波長下的透過率，8800次折疊和展開時的電容變化以及100點移動平均曲線以查看整體變化趨勢。

圖3. 非接觸式人機(jī)界面。

a 手臂上佩戴的電子皮膚的照片。b 整個電子皮膚和右側(cè)電極圖案的照片。c 使用電子皮膚的人機(jī)交互流程圖。d 使用E-skin控制機(jī)械臂向右運(yùn)動以及E-skin收集的數(shù)據(jù)照片。e 使用電子皮膚控制無人機(jī)向上飛行。f 即使有障礙物遮擋，電子皮膚也能正常工作。g 在空中寫下“CITYU”五個字母、五個Rx電極接收到的原始數(shù)據(jù)以及算法計算出的圖像。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

圖4. 機(jī)器人傳感。

a 用于機(jī)器人感知的電子皮膚示意圖。b 在無人機(jī)上安裝電子皮膚以避障的照片。c 無人機(jī)避障原理示意圖。d 無人機(jī)避障照片及實時數(shù)據(jù)。e 在機(jī)械臂上安裝電子皮膚以進(jìn)行物體跟蹤的照片。f 用于目標(biāo)跟蹤的機(jī)械手流程圖。g 機(jī)械手執(zhí)行目標(biāo)跟蹤的照片以及機(jī)械手在空間中的 3D 坐標(biāo)。

圖5. 使用機(jī)械臂抓取目標(biāo)的演示。

a 操作員通過觀看屏幕上的流媒體視頻遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂，在沒有電子皮膚輔助的情況下，操作員僅依靠視頻分析來確定機(jī)械臂的位置，需要嘗試三次才能成功抓住橙子；b 在電子皮膚輔助下，當(dāng)操作員按下抓取按鈕時，機(jī)械臂會自動微調(diào)其位置，將物體對準(zhǔn)兩根手指的中心，然后再繼續(xù)抓取過程。c 通過將紅外傳感器和電子皮膚集成到機(jī)器人手的手指上，電子皮膚充當(dāng)靈活的界面，具有增強(qiáng)的摩擦力和傳感能力，彌補(bǔ)了紅外傳感器的局限性。右側(cè)顯示機(jī)械手運(yùn)動過程中的紅外傳感器和電子皮膚數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，電子皮膚可以檢測周圍區(qū)域的物體，并且近距離無盲區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)與目標(biāo)物體的精確距離檢測。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

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