可穿戴电子皮肤是啥？来看看这项研究

知识泥土六二三 · 公众号 · · 2024-09-27 10:45

正文

大家好！今天来了解一篇基于电阻抗断层扫描的柔软超薄可穿戴电子皮肤——《Extremely durable electrical impedance tomography–based soft and ultrathin wearable e-skin for three-dimensional tactile interfaces》发表于《Science Advances》。它能解决传统触觉传感器的好多问题，而且功能强大。不管是手写识别还是无人机控制，它都能轻松搞定。快来跟我一起了解一下吧！

* 本文只做阅读笔记分享 *

一、引言

在现代人类-机器界面（HMI）应用中，可穿戴电子皮肤（e-skin）至关重要，如在医疗、电子皮肤和机器人等领域。传统阵列结构的触觉传感器存在一些缺陷，而基于软材料和计算方法的触觉接口也有其局限性。本文介绍了一种基于电阻抗断层扫描（EIT）的柔软超薄可穿戴电子皮肤，用于三维触觉界面。

二、传统触觉传感器的问题

2.1 阵列结构的缺陷

分辨率与互连数量相关：空间分辨率的提高依赖于互连数量的增加，这会导致电气噪声增大、传感器细胞间的干扰增加以及串扰效应。

互连易受外力影响：互连暴露于外力下，容易发生机械变形，如压缩、弯曲或拉伸，导致信号噪声比降低，且单个互连的断裂可能导致整行或整列的故障。

2.2 软材料触觉接口的不足

功能有限：缺乏如多点触控能力等功能，或外部组件笨重，难以实现无缝集成。

三、EIT触觉界面的优势

互连无关的传感区域：EIT具有多点检测、损伤鲁棒性等优势，且其传感区域无需互连，减少了相关问题。

高时空分辨率：在有限的互连数量下，EIT在触觉接口中具有相对较高的时空分辨率。

稳定性：与传统系统不同，EIT基软触觉传感器在严重损坏、物理切割、极端温度或机械弯曲等情况下仍能正常运行。

四、用于HMI的软触觉映射电子皮肤

4.1 与人体皮肤的共形接触

材料组成：软触觉传感器主要由软有机材料组成，如PDMS和Ecoflex 0030混合形成的PECO（双面弹性层），以及MWCNT和PECO的纳米复合材料（活性传感区域）。

优势体现：PDMS具有良好的机械和化学强度，Ecoflex具有出色的机械柔软性，二者结合形成的PECO材料优化了性能，适用于可穿戴设备。活性传感区域具有坚韧和可拉伸的机械性能，能增强与人体的共形接触。

4.2 高时空分辨率的三维压力映射

原理：当外部压力施加在 PECO/MWCNT/PECO结构上时，近压力区域局部拉伸，MWCNTs间的互连转变为隧穿和断开，导致阻抗增加。传感器通过测量因施加压力而变化的电阻来确定力的存在和大小，通过周围电极连续测量电压信息并重建阻抗分布，进而进行信号处理，包括噪声降低、最大阻抗点检测和信号分类，最终将分类后的动态压力信息转换为HMI信息，用于手写识别和无人机控制。

五、软超薄电子皮肤的开发与分析

5.1 制造工艺

过程：采用微机电系统（MEMS）制造工艺，在软PECO基板上沉积SiO₂（作为临时钝化层和聚酰亚胺的粘附增强层），进行互连图案化、SU-8钝化、MWCNT微图案化（通过lift-off过程）和PECO旋涂（形成MWCNT/PECO矩阵和封装层）。

特点：可在单个基板上制造，具有良好的可扩展性和再现性，制成的超薄触觉传感器可从玻璃基板上释放并转移到软模具或人体皮肤上使用。

5.2 机械与电气特性

机械特性：应力应变测试表明，在40%应变下，施加的机械应力低于0.6 MPa；外部垂直压力测试显示，0.2 N的压力可导致高达5 mm的压缩深度，体现了设备的柔软性。通过有限元分析（FEA）研究了设备在压力条件下的响应，应力分布模拟表明了其触觉传感机制。

电气特性：MWCNT是设备的主要传感材料，具有高灵敏度，与各种弹性体混合后在应变或压力传感应用中具有良好的可用性。对设备进行电气特性测试，包括评Cu-MWCNT界面的电接触性能和通道变化，发现界面具有一致的欧姆接触和低变化。平均阻抗随压力增加呈指数增长，约为27.48%/mm，重复性测试显示具有稳定的功能。