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五邑大学罗坚义、澳门大学周冰朴课题组 Mater. Horiz.:基于磁响应微纤毛及导电微穹顶的双模态电子皮肤

高分子科技  · 公众号  · 化学  · 2024-11-28 13:22

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电子皮肤( E-skin )在模拟人类感官系统用于假肢、人机交互和医疗保健监测方面引起了相当大的关注。然而,完全模拟皮肤功能仍然具有挑战性,因为皮肤功能可以分离刺激,如正常 / 切向力,接触 / 非接触行为,以及对高频输入的反应。有鉴于此, 五邑大学罗坚义团队与澳门大学周冰朴团队 合作,开发了一种基于仿生毛发 - 表皮 - 真皮 - 皮下组织结构的全仿生电子皮肤( FBE-skin ),用于多维触觉感知。如图 1 所示, 文中 通过充分利用人体皮肤的设计理念,制造磁化微纤毛( MMCA )、 导电 微穹顶( MDA )和柔性电极来复制生物毛发层、表皮 - 真皮层和 RA/SA 受体。通过优化微纤毛和导电微圆顶的形态和磁 / 电性能, 该工作 进一步提高了自上而下结构中各部件的传感性能。

1. (a) 具有毛 - 表皮 - 真皮层的人体皮肤和用于动静态刺激检测的 RA/SA 机械感受器的概念图; (b) 通过电磁元件( MMCA )和压阻元件( MDA )的耦合 电子皮肤设计 (c) 电子 皮肤模拟人类皮肤 实现 静态和动态响应的多维机械感知 示意图


作者通过形态调控和磁化优化,仿生 MMCA 部件能够为频率高达 100 Hz 的动态输入提供可靠的电反馈。此外,对电阻式 MDA 组分进行了优化,使其能够以 96.6 kPa -1 的高灵敏度线性检测高达 100 kPa 的静态压力。该装置基于电磁感应( MMCA )和压阻效应( MDA )的双模传感机制,可以模拟 SA RA 受体的响应,实现对动态和静态外部机械刺激的同时监测。 MMCA 组件在较小的压力范围内工作,可以响应高频刺激,而 MDA 组件在低频时具有更宽的压力响应范围。如图 2 所示 MMCA MDA 自上而下的整合以一种补充和合作的方式对外部机械刺激起作用,包括触摸 / 释放时刻、机械持续时间和滑动速度 / 方向,法向 / 切向以及接触 / 非接触类型的多维机械信号。


2. (a) 典型 FBE-skin 的光学图像和柔性 展示;(b) 频率为 3 Hz ~ 30 Hz ,压力为 800 Pa 时, FBE-skin 的响应。 (c) 法向压力作用下 MMCA MDA 的变形示意图, 施加压力时的电流和电压信号曲线 (d) 有持续时间, (e) 无持续时间; (f ) 日常机械刺激的示意图,例如手指滑动和气流 导致 近端 FBE-skin 形态变形; (g ) 接触微纤毛层而不使微穹结构变形时 , 手指滑动 FBE-skin 的响应曲线; (h) FBE-skin 暴露于法向和侧向气流时的响应曲线。


人体神经系统能够感知滑过皮肤表面的切向机械刺激。特别是,人体皮肤上分布的毛发层允许识别不直接作用于真皮层的输入信息。这种感知能力不仅反映了输入强度,还使受体能够识别动态输入的滑动方向和移动速度等信息(图 3a )。受此启发,我们开发了相应的三维可视化系统,通过深入的信号分析解码生物力学载荷,实现感觉数字化(图 3b )。在该 4×4 阵列系统中, 16 FBE-skin 单元组成三维可视化界面 可以同时采集和显示电压和电流支路的双模信号。本工作模拟了人体皮肤在皮肤接触前的近端感知、对机械强度的识别(图 3g-i )、监测切向输入的滑动速度和方向(图 3c-e )以及细微气流的空间分布(图 3f )等。此外,利用电磁感应原理,还可以直接从电压图中观察滑动速度 基于电压分布重构的气流空间分布。为了模拟基于 FBE-skin 3D 视觉解码能力, 我们 在阵列设备中集成相应的 16 个信号灯,用于对有害触摸发出警告信号。文中展示了更具体和详细的研究内容以及交互式应用场景。


3. (a) 人体皮肤由于存在毛层而感知切向机械刺激的示意图 ; (b) 基于 FBE-skin 阵列的感官解码和三维可视化系统概念图 ; (c) 用于识别不同滑动速度和路径的阵列示意图 ; (d) 手指以路线 ①及V0 速度滑动时三维可视化系统的响应 ; (e) 在不同速度下,暴露于路线 手指滑动时的响应。 (f) FBE-skin 在动态气流作用下的响应 ; (g) 对纤毛施加轻微(上)和较大压力引起皮肤明显变形(下) 示意图。 (h) FBE-skin 阵列施加最小压力时可视化系统的响应。 (i) FBE-skin 施加较大压力时可视化系统的警示响应。


相关研究成果以 “Top-down Architecture of Magnetized Micro-cilia and Conductive Micro-domes as Full Bionic Electronic Skin for De-coupled Multidimensional Tactile Perception” 为题发表在《 Materials Horizons 》。文章第一作者为澳门大学 与五邑大学联合培养博士 胡凤鸣 。该工作受到了澳门科学技术发展基金( 006/2022/ALC and 0057/2023/RIB2 )等的经费支持。


原文链接:

https://doi.org/10.1039/d4mh01217h


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