Zhenan Bao, Stanford University, Skin-Inspired Electronic Materials
 |
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。
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。
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）。
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）。
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）。
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）。
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。
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）。
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。
 |
沒有留言:
張貼留言