人造电子皮肤研究的新进展为机器人情感交流提供可能

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石墨烯泡沫膜的触敏示意图

皮肤是人体最大的器官,承担着感知压力、温度、疼痛等重要信息的功能。通过肢体接触获得的上述信息帮助我们建立起相互间情感的纽带,是社交的重要组成部分,也是人类与机器人最大的差异之一。人造电子皮肤作为一种可以产生“触觉”的柔性薄膜状电子系统,推动了机器人设计、可穿戴设备以及人工智能等领域的发展。虽然目前人造电子皮肤已能实现了压力的空间分布辨识,但是尚不能有效区分压力源。利用人造电子皮肤从环境中识别出人体触摸将为实现机器人情感交流奠定基础,这也是此领域面临的重要挑战。此外,目前人造电子皮肤在实际应用时仍存在诸多难题。例如,基于场效应管与硅基集成电路技术的柔性传感设备对材料与组装的要求苛刻、成本高;电阻型压敏材料依赖较高的外加电场以获得电学信号,与自然皮肤的应用条件存在较大差异。

针对上述需求与问题,东华大学材料学院纤维材料改性国家重点实验室的王宏志教授研究小组开发了一种可识别人体触摸的柔性薄膜传感器。研究人员以氧化石墨烯为原料,利用冰模板辅助抽滤法构筑了三维结构的石墨烯气凝胶泡沫膜(RGOF)传感器。薄膜层间由纵向石墨烯片连接,因此具有较低的体积电阻(1.5±0.3 Ω·sq.-1)和较高的电导率(53±3 S·cm-1)。

RGOF响应原理基于石墨烯的热电转化特性,工作能源来自于热能,不需外界电源供电。更重要的是,由于人体体温与环境物体表面温度存在显著的差异,RGOF利用石墨烯的热电效应可将人体触摸从橡胶、玻璃、陶瓷、凝胶、金属、塑料等常见物体的触碰中区别出来。因此,RGOF凝胶薄膜可以有效地分辨人体触摸,这种特性正是人类利用皮肤通过肢体接触与他人进行情感交流的基础。

RGOF在厚度方向具有良好的弹性,其电学性能与热扩散行为随薄膜形变而发生改变,因而还可实现手指触摸应力的强度检测。另外,将RGOF与两组测试电极相连,将其表面划分为9个区域,得到一种3×3分辨率的柔性触敏器件。在人体皮肤触摸下,器件表面9个部分得到9种不同触敏电流结果,因此可以通过触敏电流分辨触点区域。

RGOF传感器结构简洁、成本低、有望规模化生产,其高柔性及弹性也符合模拟皮肤的需求,因此具有重要的应用价值,有望作为一种新型的人造电子皮肤服务于未来机器人、义肢使用者和可穿戴设备上。

该项研究得到了东方学者、长江学者创新科研团队、中央高校基本科研业务费等项目的经费支持。

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