首个美学离子皮肤——实现触觉感知和纹理识别

研究背景

基于皮肤的触觉是人类的基本生存技能之一，它依赖于将时空压力刺激转换为生物离子信号的机械传导过程。皮肤配备了四种类型的慢适应(SA) 和快适应(FA)机械感受器，可以同时感知静态压力和不同频率的动态振动变形。特别是指尖，它是最敏感的皮肤区域有压印的指纹图案，不仅能确保对物体的稳定和形状适应性，还能通过对表面的摩擦放大振动触觉信号，实现对精细纹理的辨别。因此，模仿指尖的顺应性、离子传导和多模式触觉能力的人工触觉系统将在新兴的软机器人技术、人机交互和假体植入中发挥巨大作用。

过去几年见证了由移动离子和弹性体基体组成的可拉伸离子皮肤作为超软触觉传感器的新概念。这些具有内在结构顺应性的离子皮肤传感器通过克服传统电子皮肤经营遇到的不利的机械不匹配，实现了与各种目标物体的适应性物理互动。然而，离子皮肤仍有两个关键的限制，这在很大程度上阻碍了它们在先进触觉传感应用中的压力感应精度。一个是当离子皮肤被拉伸时，压力感应性能会发生不必要的改变，这使不同应变下的压力定量测量变得非常复杂。这个问题几乎是目前所有离子皮肤所固有的，因为应变引起的正常压缩大大改变了材料的传导性和一定力的变形性。另一个是缺乏类似指尖的精细纹理识别能力这阻碍了离子皮肤精确获取物体的表面信息。不同于用坚硬的脊柱图案的电子皮肤，目前的离子皮肤，无论是自带皱纹的软脊还是额外的脊柱弹性体层，在粗糙的表面上扫描时都不能产生有效的振动。目前，据报道，还没有任何一种离子皮可以将结构顺应性、应变不受干扰的压力敏感性和精细纹理识别这些看似矛盾的特性协同起来，用于高级触觉感应。

研究成果

人类通过基于离子的快速和慢速适应的机械传导，使用周期性的脊状指尖来精确感知物体的特征。然而，设计具有类似指尖触觉能力的人工离子皮肤仍然具有挑战性，因为结构顺应性和压力感应准确性之间存在矛盾 (例如，抗拉伸和纹理识别的干扰)。受指尖的形成和模量对比层次结构的启发，东华大学武培怡-孙胜童研究团队介绍了一种从非平衡的 Liesegang过程制备的美学离子皮肤。这种离子皮肤有周期性的硬脊嵌入到软水凝胶基质中，可以实现应变不受干扰的三电动态压力感应以及振动触觉纹理识别。通过与另一个压阻离子凝胶耦合，进一步制造了一个人工触觉系统，作为一个软的机器人皮肤，模仿手指在抓取动作中的同时快速和慢速适应的多模态感觉。该方法可能启发未来设计高性能的离子触觉传感器，用于软机器人和假肢的智能应用。相关研究以“Non-equilibrium-Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip-Like Strain-Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点

1. 受指尖结构层次的启发，首次设计了一种高度可拉伸的人工美学离子皮肤，它具有类似指纹的周期性硬脊，嵌入在软水凝胶基质中。

2. 耦合的人工触觉传感器可作为软体机器人皮肤或人工手指，用于实时采集抓握动作中的动态和静态压力信号。

图文导读

Figure 1. Liesegang-patterned aesthetic ionic skin mimicking both the structure and tactile sensing function of a fingertip.

Figure 2. Non-equilibrium-growing of Liesegang-patterned hydrogel.

Figure 3. Strain-undisturbed tactile sensing characteristics of the Liesegang-patterned ionic skin.

Figure 4. Texture recognition of the Liesegang-patterned ionic skin.

Figure 5. Adaptive multimodal perception of the artificial coupled tactile sensor.

总结与展望

作者报告了一种受指尖启发的美学离子皮肤，具有类似的结构层次和触觉特征。审美离子皮肤是通过类似指纹的非平衡生长过程制造的，其中周期性的 Liesegang 图案被赋予了嵌入软水凝胶基质中的硬脊。这种模量-对比度混合结构赋予了 Liesegang 图案的离子皮肤耐人寻味的触觉传感特性，即基于摩擦静电的应变-不受干扰的压力敏感性和精细纹理识别这在以前的离子皮肤中很少实现。此外，通过与另一种压阻性离子凝胶耦合，制备了一种人工多模态触觉传感器，成功地模仿了人类指尖的全面的SA型和FA型静态/动态触觉感觉。预计，目前基于离子皮肤的触觉传感器作为人工手指，将为其在未来软体机器人和假肢的潜在应用打开关键的大门。

文献链接

Non-equilibrium-Growing Aesthetic Ionic Skin for Fingertip-Like Strain-Undisturbed Tactile Sensation and Texture Recognition

https://doi.org/10.1002/adma.202300593

转自：“i学术i科研”微信公众号

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