环境适应性超灵敏多功能电子皮肤——用于保健和机器人感知

研究背景

皮肤是一个灵活的体感系统，包含几种不同类型的受体，因此它是柔软的、可弯曲的，并有能力同时感知各种刺激，如机械变形(应变)和热变化(温度)。为了模仿天然皮肤的特性，在过去几年中，由于柔性电子技术的最新进展，人们提出了一系列的电子皮肤 (e-skins)。开发了一种类似纹身的多功能电子皮肤，可以顺应性地打印在真实的皮肤上，具有无负担的穿戴体验，并具有感知应变、温度和代谢化学物的能力。这些研究表明，电子皮肤有能力为生物医学领域的一波突破打开大门，如健康监测、疾病诊断等。另一方面，这些研究也代表了一种趋势，即电子皮肤主要是针对可穿戴设备的，而现在大多数的电子皮肤都是面向人的，也就是说，它们是附着在人体上的实际使用。因此，人们普遍认为电子皮肤主要在相对温和的环境条下工作，例如温度在体温左右的狭窄范围内没有酸碱等腐蚀性化学品，而且不在水下或海洋中使用。

最近，研究人员开始认识到电子皮肤在其他新兴应用中的潜力，特别是人机界面、智能机器机器人等。因此，越来越多的人致力于开发面向机器人的电子皮肤，即附着在机器或机器人上获得人工感觉的电子皮肤。众所周知，机器人和机器可能会在恶劣的环境条件下使用，包括宽广的温度范围和带有腐蚀性化学物质的复杂溶液，而目前的电子皮肤却无法承受。因此，环境适应性已经成为制约电子皮肤在机器人上使用的关键瓶颈，并限制了研究界产生更多的突破性进展。为了克服这个瓶颈问题，有几个主要障碍需要解决：（1）需要对温度变化引起的电子皮肤传感单元的串扰进行解耦；（2）需要使用更环保材料来制造电子皮肤；（3）在PI上集成不同类型的传感单元进一步增加了设计和制造的难度。

研究成果

能够感知各种刺激的多功能电子皮肤 (e-skins)在许多领域表现出越来越大的潜力。然而，大多数电子皮肤都是面向人类的，不能在高温、水下和腐蚀性化学品等恶劣环境中工作，影响了它们的应用，特别是在人机界面、智能机器、机器人等方面。受蜘蛛的裂纹状感觉器官的启发，大连理工大学刘军山教授团队开发了一种环境坚固和超敏感的多功能电子皮肤。通过开发基于聚酷亚胺的金属裂纹定位策略，由于聚酷亚胺具有较高的热稳定性和化学耐久性，该装置具有良好的环境适应性。局部裂纹部分作为超灵敏的应变感应单元，而非裂纹的蛇形部分只负责温度。由于这两个单元是由相同的材料和工艺制成的，信号很容易被解耦。所提出的装置是第一个可以在恶劣环境中使用的多功能电子皮肤，因此在面向人类和机器人的应用中都具有很大的潜力。相关研究以“Bioinspired Environment-Adaptable and Ultrasensitive Multifunctional Electronic Skin for Human Healthcare and Robotic Sensations”为题发表在Small期刊上。

图文导读

Figure 1. The multifunctional e-skin manufactured by crack localized metal pattern.

Figure 2. The performance of the e-skin to strain and temperature.

Figure 3. High-adaptability of the multifunctional e-skin for extreme conditions.

Figure 4. Personal healthcare using the multifunctional e-skin.

Figure 5. Soft robotics sensing using the multifunctional e-skin.

总结与展望

总之本研究制作了一个基于位置可编程的裂纹金属薄膜的环境稳健和超灵敏的多功能电子皮肤。所提出的电子皮肤可以同时精确测量应变和温度，并表现出高应变灵敏度，GF 高达90。该电子表皮还表现出对酸、碱或盐溶液和高温的高环境适应性。实验结果表明，该电子皮肤可以应用于人类个人保健和软体机器人的多功能传感。因此，这种新型的柔性多功能传感器在生物医学、人工智能、虚拟现实等领域有很大的潜力。

文献链接

Bioinspired Environment-Adaptable and Ultrasensitive Multifunctional Electronic Skin for Human Healthcare and Robotic Sensations

https://doi.org/10.1002/smll.202304004

转自：“i学术i科研”微信公众号

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