cookieOptions = {...}; . 史丹佛大學研發出能夠模擬人手感知能力的電子皮膚 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

3S MARKET

2019年5月8日 星期三

Zhenan Bao, Stanford University, Skin-Inspired Electronic Materials

科寶電子官網 www.cop-security.com

源:微迷网

據麥姆斯咨詢介紹,開發與人手媲美的的機器手,所面臨的多方面挑戰,仍然是需要大量研究的課題。毋庸置疑,研究人員在複製人手諸多功能和特徵,如某項或幾項性能(抓取和操縱等)已經取得了一些進展。

然而,人手是多功能的結合,如骨骼結構、肌肉力量、完全控制的關節、壓力/剪切力/運動/加速度/溫度感知,等等,並在很寬泛的動態範圍內擁有這些屬性。

史丹佛大學(Stanford University)研究人員正在展開的工作,展示了在嘗試提供,與人體皮膚相同感知能力,所面臨的挑戰和進步。由化學工程師鮑哲南(Zhenan Bao)領導的團隊,開發目標是在手套的指尖,嵌入「連續」感測器

感測器能夠同時測量力的強度和方向,兩個反饋因子,對實現完全控制的靈活性非常重要,這是不需要經過有意識思考的人手,所提供的壯舉。

在觀察這款手套之前,應該先瞭解皮膚結構,它不僅僅是一個靈活、充滿神經的保護層。外皮層布滿感測器,以檢測壓力、熱量和其他刺激物;當然,手指和手掌上都是密集的觸摸感測器。但是這可謂只是表層。表層之下是被稱為棘層的皮膚內層,看起來像丘陵和山谷的凹凸不平的微觀地帶。這些突起(bump)是感測「機制」的重要組成部分。

兩層皮膚緊密結合,以整合感官信號。當手指接觸皮膚表面時,皮膚外層會移動到更接近底層的棘層。輕微的觸感,主要來自棘層的「山頂」,當施加更大的壓力時,將外皮層推入棘層的「山谷」,以引發更強烈的觸感。

雖然看起來相當簡單,但是只是其中的一部分。皮膚的凹凸層能夠感知更多,它揭示了壓力的方向(剪切力)。當手指朝一個方向按壓時,在微觀山丘的另一側,會產生強烈的感知信號。感知和評估剪切力大小的能力,對實現溫和有力的動作(例如在拇指和食指之間保持易碎物體)而言非常重要。

工程上的挑戰是從電學角度,複製皮膚功能,並開發出多層手套。為了實現上述目標,研究團隊採用了三層佈局,由絕緣橡膠層分隔電活性頂層和底層。

底層也有金字塔結構的小突起,類似於皮膚;它們共同形成具有密集感測點陣列的二維網格。奈米電容器的佈局,包括嵌入聚氨酯(polyurethane, PU)的碳奈米管(carbon-nanotube, CNT)頂部和底部電極;它們可以測量和區分正向力(垂直於表面)和切向(剪切)力(圖1)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖1 電子皮膚的製造和組裝(A)—該裝置由三層組成,透過層壓組裝:底部是厚度為1mm,帶有山丘陣列的聚氨酯層(山丘直徑1 mm,高度20 μm)(i);中間是厚度為10 μm的介電層,作為頂部和頂部電極之間的間隔層(ii);頂部是厚度為60 μm,帶有金字塔陣列的聚氨酯層(iii)。

電極由噴塗和光刻,實現圖案化的導電碳奈米管製成,嵌入聚氨酯基質中(電極寬度300 μm,兩個電極之間的間距50 μm)。製作電子皮膚的光學圖像和山丘、電極上的特寫視圖(插圖)(B)。

光學成像顯示了碳奈米管-聚氨酯互連,用於LCR測試儀進行信號記錄,以及頂部具有模制金字塔的電子皮膚層SEM圖,顯示了碳奈米管-聚氨酯和聚氨酯區域(插圖)(C)。

但是這些感測點,並非簡單的電容器。電子皮膚的頂層包括模制的方形金字塔網格,當施加外力時,金字塔會發生彈性變形。電子皮膚的底部,使用二維陣列模制山丘,以模仿人體皮膚中的棘層;這些對於測量和區分施加力的方向,是必不可少的。每個山丘對應25個電容器,每個電容器大小為90,000 μm2,山頂有1個電容器,斜坡有4個電容器,四個角落各有1個電容器,山丘周圍有16個電容器(圖2)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖2 圍繞山丘的不同電容器(像素)位置示意圖,其中1個位於山頂,4個位於斜坡,4個位於角落,16個位於山丘周圍。

位於山丘一側,並承受較大壓力的電容器,電容成長幅度大於,與施加力方向相反的一側(分別為正向力、剪切力和傾斜力)(圖3)。圍繞山丘的電容圖,提供了區分幾種不同類型的施加力的能力,單獨的單個像素則無法提供上述資訊。


斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖3 測量仿生電子皮膚的響應特性;以一個山丘為中心的5 × 5電容器感測器陣列的特點,在於透過施加正向力(a)、施加剪切力(b)和施加傾斜力(c)來測量壓力響應曲線。每個色帶對應5%的ΔC/Cmin變化,與沒有施加和施加過壓力的電容相一致。

該團隊透過模擬研究了電子皮膚參數,以最大限度提高其靈敏度、信噪比(SNR)和時間響應權衡。他們使用了多種金字塔尺寸(寬度為10、20、30、40、50 μm)和分隔距離(比例b/a=0.4、0.8、1.2、1.6、2和4,其中a + b是兩個金字塔中心之間的距離)。

將手套放置在實體模型柔性手上,將它連到安裝在KUKA IIWA機器人臂的雄克(Schunk)WSG 50夾具上,以提供驅動。算法利用反饋迴路中的感測讀數,來指導戴手套的機器手,輕柔觸摸漿果,或像人手一樣,舉起並移動一個乒乓球。這是透過使用感測器來指示剪切力,並控制戴手套的手,以根據人體功能需求,去調整其動作而實現的(圖4)。

斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

圖4 感測器足夠靈活,可以在不壓碎一顆藍莓的情況下,讓手指拾起並抓住。

人體皮膚的基礎知識,以及電子皮膚的設計、材料、製作和應用的全部細節都發表在《Science Robotics》期刊上,一篇非常易讀且內容豐富的論文中,論文題目為「A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics」,包括其補充資訊。

此項研究工作中的一部分,得到了瑞士國家科學基金會(Swiss National Science Foundation)、歐洲委員會(the European Commission)、美國國家科學基金會(National Science Foundation)和史丹佛奈米共享設施(Stanford Nano Shared Facilities)的支持。


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