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一文看懂什么是电子皮肤

发布时间:2020-03-19 访问次数:483次 来源:中国科学技术馆 分享:

与传统的块状电子器件不同,“柔性电子”,指的是可以变得像纸或手机膜一样轻薄柔软,还能像橡皮一般有弹性,类似的这种电子器件。

在“柔性电子”的应用方面,“电子皮肤”是最不可忽视的。所谓“电子皮肤”,即为借助柔性电子技术制造像人体皮肤的电子器件该电子器件需要像人的皮肤一样柔软,同时更需要拥有和皮肤一般的触觉感知能力。甚而,它还具备强于皮肤的方面,比如,帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号,提升人类与环境或自身的交互能力。皮肤作为人体最大的器官,是触觉的载体,为我们提供环境中的物理信息。我们能感受到物体的硬度,是因为我们的皮肤中分散着许多的压力感受器,这些感受器可以根据皮肤与物体接触时感受到的力的大小来分辨物体的软硬程度。所以,通过压力传感器,电子皮肤也可以感知物体软硬程度。有多种方式可以达到压力传感的效果,其中最简单和最常用的一种是压阻式压力传感器,利用导电材料在形变时产生的电阻变化来实现传感。

借助柔性压力传感器,还可以实现对物体形状的感知。我们的皮肤各处分散着压力感受器,但只有接触到物体的感受器才会给我们大脑发送信号。麻省理工学院的科研人员设计出了一种低成本的可伸缩触觉手套,上面分布着548个压阻型压力传感器,每个传感器可感知到的压力数值都能被详细记录下来。他们利用这个手套抓握了杯子、勺子、笔、石头等物体,记录手套抓握的数据,并录制视频。然后利用这些数据训练深度学习网络,从而鉴定出不同的物体。通过柔性电子技术构建对硬度、压力、形状和材质的感知,再与柔性拉伸传感器、温度传感器等集成,我们基本就能构建拥有触觉的电子皮肤。


电子皮肤最直接的应用就是智能机器人。

机器人拥有触觉后,就能更充分、精准地读取环境中的压力信号,从而行动也会更为精准、多样、有效。比如,现在的机器人缺乏对物体精确的力量反馈,不能对小尺寸、柔软的物体实行精准的抓握和操纵。而电子皮肤则可提供精细的力学反馈,帮助未来的机器人完成准确的抓握和操纵任务。不过,尽管我们可以在传感器层面上实现对物体的感知,但将传感器信号有效地转换为大脑能够理解的神经电信号仍旧十分困难。但通过仿生,我们仍有望解决这个问题。皮肤内的多种触觉感受器将捕捉到的触觉信息通过多层中间神经元传输到脊椎,神经纤维内的多种传入神经和突触会将感受器的传入信号进行编码和分离。最后脊椎将编码和分离后的信号传输到大脑。针对这个问题,科学家们发明了人造传入神经。这种人造传入神经有三个核心成分:压阻型压力传感器、有机环形震荡器和突触晶体管。压力传感器负责获取压力信息。环形振荡器代替神经纤维,将压力信号转化为与感觉神经元动作电位的频率相匹配的电压脉冲。突触晶体管将这些脉冲信号整合并转化为突触后电流,并与生物体内的传出神经对接,形成一个完整的单突触反射弧。随后,他们将人造传入神经与蟑螂腿上的传出神经对接,对压力传感器施加一定压力。压力信号转换成突触后电流,电流经过放大后传输到蟑螂腿上的传出神经,成功地驱动了蟑螂腿的运动。


蟑螂腿被人造神经控制机理(图片来源:Science)

如果采用脑机接口技术,用编码后的信号对大脑特定区域和细胞进行刺激,就能够实现触觉体验。然而,因为目前对知觉的神经编码的理解十分有限,再加上脑机接口技术的发展需要进一步突破,我们目前离攻克这一技术难题还有一定距离。除了建立触觉系统,我们还可以利用柔性电子技术使各类传感器拥有皮肤一般的性质,比如柔软、可拉伸、自愈合等,然后将它们覆盖在皮肤上或衣服上,随时随地感知环境和自身的信息。此外,人们还能借助其他物理化学原理来让电子皮肤具备更多功能。比如,针对外界环境而言,电子皮肤可被用来感知阳光中紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等;针对人体自身而言,电子皮肤可无创地监测体液中血糖等生理指标信息,采集脑电、肌电和心电信息等。

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