清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組在國際上首次研制出具有仿生三維架構(gòu)的新型電子皮膚系統(tǒng),可在物理層面實(shí)現(xiàn)對壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)信號的同步解碼和感知,對壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米,接近于真實(shí)皮膚。該成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上發(fā)表。
張一慧介紹,皮膚之所以能敏銳感知力學(xué)信號,是因?yàn)槠鋬?nèi)部有很多高密度排列且具有三維空間分布的觸覺感受細(xì)胞,能準(zhǔn)確感知外界刺激。在電子皮膚研制中,要能同時(shí)識別和解碼壓力、摩擦力和應(yīng)變信號,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的觸覺感知,極具挑戰(zhàn)。
團(tuán)隊(duì)首次提出具有三維架構(gòu)的電子皮膚設(shè)計(jì)概念,研制出的仿生三維電子皮膚由“表皮”“真皮”和“皮下組織”構(gòu)成,各部分質(zhì)地均與人體皮膚中的對應(yīng)層相近。傳感器及電路在皮膚內(nèi)深淺分布,其中部分傳感器更靠近皮膚表面,對外部作用力高度敏感,分布于深處的傳感器則對皮膚變形更為敏感。
“比如我們一塊食指指尖大小的電子皮膚內(nèi)就擁有240個(gè)金屬傳感器,這些傳感器每個(gè)僅有兩三百微米,其空間分布上與人體皮膚中觸覺感受細(xì)胞的分布相近。”張一慧說,當(dāng)電子皮膚觸摸外界物體時(shí),其內(nèi)部眾多傳感器會協(xié)同工作。傳感器收集到的信號會經(jīng)過系列傳輸和提取處理,再結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法,使電子皮膚能精確感知物體的軟硬和形狀。
“電子皮膚實(shí)際上是模仿人類皮膚感知功能的一種新型傳感器,未來可裝于醫(yī)療機(jī)器人指尖進(jìn)行早期診療,還可像創(chuàng)可貼一樣貼在人的皮膚上實(shí)時(shí)監(jiān)測血氧、心率等健康數(shù)據(jù)。”張一慧認(rèn)為,這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發(fā)和應(yīng)用提供了新路徑,在工業(yè)機(jī)器人、生物檢測、生物醫(yī)療、人機(jī)交互等多方面具有廣闊應(yīng)用前景。
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