用于可穿戴無人機控制系統(tǒng)的仿生多功能水凝膠基電子皮膚

重建具有表皮和真皮功能的人類皮膚與物理世界互動的需求巨大。近期，西北工業(yè)大學苑偉政、北京大學張海霞、中山大學吳進合作提出了一種仿生、超靈敏、多功能的水凝膠基電子皮膚（BHES）。它的表皮功能是使用具有納米級皺紋的聚對苯二甲酸乙二醇酯模擬的，通過接觸帶電過程中獲得/失去電子的能力，能夠準確識別材料。內部機械感受器由具有粘滑傳感能力的叉指銀電極模擬，以識別紋理/粗糙度。

通過圖案化的微錐水凝膠模擬真皮功能，實現(xiàn)了具有高靈敏度（17.32 mV/Pa）、大壓力范圍（20Pa~ 5000 Pa）、低檢測限和快速響應（10 ms）/恢復時間（17 ms）的壓力傳感器。在深度學習的輔助下，該BHES在識別材料（10種材料為95%）和紋理（四種粗糙度情況下為97.20%）方面實現(xiàn)了高精度并最大限度地減少了干擾。通過集成信號采集/處理電路，展示了具有三自由度運動的可穿戴無人機控制系統(tǒng)，以及軟機器人在數(shù)字孿生的自供電人機交互界面的巨大潛力。該研究以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

仿生人造皮膚的設計

該工作提出了一種仿生、超靈敏、多功能的水凝膠電子皮膚，并將納米級皺紋圖案PET和微錐圖案DN水凝膠引入BHES。這種BHES可以連續(xù)地將微小的機械刺激轉換為電信號。如圖1所示，所提出的e-skin主要由多層結構組成，即頂層的納米級皺紋圖案PET，夾在PET和聚酰亞胺（PI）之間的叉指銀電極，抗脫水和防凍微錐圖案DN水凝膠電極和聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底。使用納米級皺紋圖案PET模擬表皮，可以根據(jù)各種材料在接觸帶電過程中獲得或失去電子的不同能力準確識別材料類型。內部機械感受器使用叉指銀電極進行模擬，以基于粘滑傳感機制識別材料紋理。

此外，作為真皮的對應物，水凝膠使制造的電子皮膚柔軟而有彈性，它還可以用作流體儲存器和緩沖器。BHES不僅可以用于確定接觸材料的類型，還可以精確檢測壓力刺激。此外，BHES通過增加信號處理電路可以實現(xiàn)實時手勢檢測和便捷的無人機控制操作，在可穿戴電子和交互式人機界面方面具有巨大的應用前景。在人工智能的幫助下，BHES可以賦予機器人手壓力檢測和材料/紋理識別能力，為軟機器人在數(shù)字孿生和BHES的元宇宙應用中的成功應用而開發(fā)。

圖1 BHES的結構設計

具有多種突出性質的水凝膠的表征

透明聚丙烯酰胺（PAM）/海藻酸鈣（CA）DN水凝膠使用簡單的聚合工藝合成。DN水凝膠的后處理是通過將原始DN水凝膠浸入50 wt%溴化鋰（LiBr）溶液中以引入吸濕性LiBr來進行的，賦予其抗脫水和抗冷凍能力。處理過的DN水凝膠保持更高的殘留質量，比未經(jīng)處理的原始水凝膠具有更好的抗脫水性能。水凝膠優(yōu)異的耐凍性和耐干燥性應歸功于LiBr的強水化作用，因為形成穩(wěn)定的Li-H??O 和 Br?-H?O簇抑制水分子的凍結和蒸發(fā)。此外，制備的水凝膠還顯示出高透明度，這對于具有美學和可見性要求的可穿戴電子產(chǎn)品非常有用。開發(fā)的水凝膠在壓制和釋放超過1000次時顯示出穩(wěn)定的產(chǎn)量，顯示出其長期應用的巨大潛力。

圖2 表征水凝膠的各種優(yōu)異性能

接觸材料-高靈敏度的無干擾壓力傳感

如上所述，DN水凝膠已經(jīng)取得了許多優(yōu)異的性能。因此，將微錐圖案化水凝膠用作BHES的導電電極和帶電層，以構成自供電壓力傳感模塊。結果表明傳感器具有出色的抵抗接觸材料干擾的能力。BHES在2 kPa左右壓力下顯示了快速響應（10ms）和恢復（17ms）時間，明顯快于人體皮膚（30ms ~50 ms）。重要的是，微錐圖案BHES的靈敏度達到17.32 mV/ Pa，幾乎是非結構化BHES的兩倍。這主要是由于微錐圖案結構在變形過程中更容易變形，有效地擴大了接觸面積。此外，還檢查了功率密度對具有和不具有微錐結構的器件的外部負載電阻的依賴性。在所有測量的外部電阻范圍內，微錐圖案BHES的輸出電壓比普通器件的輸出電壓高得多。BHES可以在-27°C和65°C的溫度下輸出穩(wěn)定的電壓信號。經(jīng)過1000次循環(huán)壓釋放試驗后，最大電壓沒有明顯下降，有助于其在不同環(huán)境下的進一步長期應用。

圖3 所提出的BHES壓力傳感模塊的表征

壓力無擾動精確材料和紋理識別

識別不同類型的材料被認為是人體皮膚的關鍵功能之一。然而，使用電子皮膚來正確識別具有相同光滑表面的材料是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于接觸帶電和粘滑機制的產(chǎn)生，本研究中的人造電子皮膚可以超越人類皮膚的能力，并借助深度學習技術實現(xiàn)精確的材料和紋理識別。該研究選取鋁、銅、紙、砂紙、化學膠、硅橡膠、PI、PVC和PDMS等10種不同材料，以及氟化乙丙烯（FEP）和4個不同粗糙度值的銑削碳鋼樣品，驗證了BHES的材料種類和表面粗糙度識別能力。當另一個物體在這個粗糙的表面上滑動時，會產(chǎn)生摩擦力和移動速度的波動。這些不規(guī)則的運動會導致傳感信號的波動，這些波動被用作識別不同紋理特征的原理。受天然人體皮膚皺紋表面的啟發(fā)，引入納米級皺紋PET與被觸摸物體構成摩擦對，并通過粘滑機制輔助紋理識別。在這項研究中，材料識別的平均準確率可以達到95.00%，BHES的材料感知功能有助于架起物理世界和網(wǎng)絡世界的橋梁；因此，這項工作可以針對數(shù)字孿生和元宇宙領域的軟機器人進行開發(fā)。

圖4 材料和粗糙度識別過程和結果

BHES-集成無人機控制系統(tǒng)

手勢是一種高效的溝通媒介，特別是對于需要無聲換向的反恐場景。因此，將人體皮膚啟發(fā)的BHES與信號采集和無線信號傳輸電路相結合，該研究開發(fā)了一種無人機控制系統(tǒng)，展示了其在反恐事件中的巨大潛力。BHES檢測到人的手部動作，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娸敵鲂盘栆圆倏v無人機。所提出的BHES已成功用于調節(jié)人機交互界面應用的四旋翼飛行器。此外，還總結了可以檢測壓力、識別材料或輔助無人機控制的電子皮膚的當前發(fā)展情況。通過比較，所提出的BHES展示了在功能和傳感性能方面的出色特性。此外，BHES在快速靈敏的壓力傳感以及無需外部電源即可準確識別材料和紋理方面也顯示出優(yōu)勢。

圖5 BHES在人機界面應用中的實現(xiàn)

綜上所述，該研究采用納米級皺紋圖案PET和微錐圖案DN水凝膠，提出了一種基于人體皮膚的超靈敏、多功能水凝膠的電子皮膚。引入納米級皺紋圖案PET以模仿表皮表面并產(chǎn)生接觸帶電機制。此外，采用微錐圖案的DN水凝膠作為摩擦層和導電電極，以提高器件的靈敏度。設計的DN水凝膠具有出色的抗脫水和抗凍能力，出色的透明度（在可見光譜中超過85%）和令人欽佩的電穩(wěn)定性。精心設計的BHES用作壓力傳感器，在相對較寬的壓力范圍（17Pa~ 32Pa）內具有高靈敏度（20.5000 mV/Pa），檢測限低，響應速度超快（10ms）/恢復（17ms）。多功能BHES賦予機器人材料識別和紋理識別能力。在深度學習的幫助下，10種材料和4種粗糙度的識別準確率分別為95.00%和97.20%。通過將BHES與信號采集/處理電路進一步結合，該傳感器展示了其作為人機界面的能力，通過監(jiān)控人類手勢來調節(jié)無人機的運動。該研究可用于數(shù)字孿生和元宇宙應用中的智能機器人，在交互式人機界面方面具有巨大潛力。






審核編輯：劉清