双响应人造皮肤——用于压力检测和接近感应

研究背景

人造皮肤在智能机器人、人机界面 (HMIs) 和虚拟/增强现实中的广泛部署，正在彻底改变我们的生活。人造皮肤的最新进展通过将涉及温度、压力/力、湿度、表面特性和其他生理指标的各种环境参数转变成数字信号，实现了与天然皮肤相同的感知功能。在这种情况下，人们努力创造超越单一触摸模式的人造皮肤，以赋予人类或机器人触觉和非触觉感知能力。此外，新兴的无障碍界面也对交互过程提出了新的要求，即在触觉和非触觉操作模式之间顺利切换。因此，当务之急是利用这种双重响应的人造皮肤，它可以敏感地检测近距离的预接触事件和触觉信息。

一般来说，双响应传感器可以通过区分人体的接近和触觉动作来实现双通道人机界面。这种能力扩展了感知的维度，提供了补充的认知信息，也规避了众多调节旋钮和传感系统集成的局限性。以前的工作已经报道了基于静电感应机制的双响应传感，对于这种机制双模式响应是通过测量各种刺激下的信号振幅变化实现的。不幸的是，由于信号的极性相同在不知道相互作用历史的情况下，这些设备很难明确区分不同的刺激。因此，电容式压力传感器，与电阻式传感器相比，显示出独特的无触摸检测能力，成为有竞争力的候选者。特别是，电容式传感器可以在非触摸和触觉输入时获得极性相反的信号，使其更容易进行交互式动作区分。尽管在双响应传感器方面取得了一些成就，但在接近感知或接近开关方面的应用，其功能非常有限。探索来自双响应传感器的无触摸或接近输入中所编码的丰富的认知信息是强制性的。

研究成果

从智能互动和补充/增强现实的进展要求人造皮肤从单一功能的触觉范式转变。双响应传感器既能检测到接触前的近距离事件，又能检测到触觉压力水平，丰富了感知的维度，并提供额外的认知信息。以前的双响应传感器只在接近感知或接近开关方面显示出非常有限的用途。而来自环境的接近输入应该能够传递更有价值的信息。在此，新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院王一凡助理教授团队提出了一种灵活的离子式双响应人工皮肤。该人造皮肤对外部物体的压力以及它的接近都很敏感，并能引出在近端输入中编码的目标材料类别的信息。然后展示了各种应用。基于这些设备开发了双模式的人机界面，包括操纵虚拟游戏人物，导航和放大电子地图，以及滚动浏览电子文件。更重要的是，展示了一个完全无接触式材料分类系统的概念验证应用。三种类型的材料(金属、聚合物和人类皮肤)被准确地分类和预测。人造皮肤的这些特点使其在下一代智能工程电子产品中具有很大的前景。相关研究以“A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces”为题发表在Small期刊上。

研究亮点

1. 提出了一种灵活的离子式双响应人工皮肤(i-DAS)，其功能超越了人类的触觉感知能力。

2. 通过构建基于i-DAS阵列的双模式控制面板，开发了无障碍人机界面。

总结与展望

总之，为了开发具有超越天然皮肤功能的人造皮肤，作者提出了一种多功能利用的 i-DAS。利用一个简单的、具有成本效益的、易于扩展的制造方法，以及耐用的材料来设计高孔柔性i-DAS。由于L 诱导的 EDL的形成，人造皮肤表现出对外部压力的超高敏感性；此外它还表现出检测外部物体接近的诱人能力。在此基础上，成功地展示了几个互动应用。还创建了一个基于传感器阵列的控制面板，用于对一个著名的计算机游戏进行沉浸式操作。游戏人物的移动可以在低速或高速模式下激活，根据人的手的触发动作，也就是与控制面板的无触摸或触摸互动。此外，还展示了无触摸导航、放大电子地图和滚动电子文件的交互方式。此外，为了利用i-DAS 在接近不同目标时产生的不同反应信号，展示了用于机器人应用的无触摸材料分类系统的概念验证。涵盖金属、人体皮肤和电介质的不同材料类别被准确预测和分类。结合所有这些优势，该双响应人工皮肤可能会在未来的智能机器人、电子皮肤、假肢和增强现实领域找到广泛的应用。

文献链接

A Dual-Responsive Artificial Skin for Tactile and Touchless Interfaces

https://doi.org/10.1002/smll.202206830.

转自：“i学术i科研”微信公众号

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