Advanced Materials:基于柔性电子器件的人工反射弧

反射行为帮助人类以及其它高等动物躲避外界环境中的不利刺激,是人和动物得以生存的必备神经活动。反射通过反射弧实现,不需要经过大脑进行处理,因此可以迅速做出反应。近年来,采用人工技术模仿人类的感知、判断和动作反应过程是未来智能机器人,人机交互界面和神经义肢等领域的重大挑战。尽管有报道采用传统机器人系统对反射进行模仿,它依赖于计算机处理器和软件编程,因此需要复杂的多级系统进行感觉信息输入,信号处理和动作计划和执行。如何通过简单的电子元件来实现这样的仿生模拟是一个重大挑战。

近日,南洋理工大学陈晓东课题组报道了一种由柔性单元器件构成的人工反射弧,它可以响应触觉压力刺激并通过柔性致动器件做出反应动作。人工反射弧由三个主要柔性单元器件构成,包括:柔性压力传感器,柔性阈值控制单元和柔性电化学致动器,与人体反射弧的三个重要组成部分一一对应。另外,通过压力传感器和基于MOF材料的阈值控制单元的功能集成,实现了对反射中的“全或无”定律的模仿。研究人员将人工反射弧植入机器人模型中并模仿了婴儿的抓握反射。当机器人胸部的压力传感器感受到超过阈值的压力刺激后,就会激发阈值控制单元并控制由柔性电化学致动器构成的人造手指发生弯曲而完成抓握动作。

该工作首次采用柔性单元器件实现了对人躯体反射弧的功能模仿,提供了一个基于纳米材料和柔性器件的自动化控制简化策略,为解决单一的“集中数据处理”模式所造成的电子集成系统数据计算和传输负荷过大问题提出创新的可能性。该器件可应用于智能软体机器人,交互可穿戴器件和新型神经义肢的设计和开发。相关结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201905399)上。