【儀表網 研發快訊】作為電子皮膚的重要分支，基于多種感知機制的柔性觸覺傳感器已被開發并成功模仿人體皮膚的觸覺性能/功能。痛覺，作為另一種重要的感覺，可以幫助人類有效避免潛在危險并實現自我保護。近年來，研究人員通過采用突觸型器件(如晶體管、憶阻器)或液態金屬復合材料開發了人工痛覺感受器，實現無害和有害的痛覺感知。然而，人體皮膚的感知系統并不局限于單一的觸覺或痛覺感知。相反，它表現出觸覺和痛覺感知功能的高效耦合。因此，在人工感知系統中實現觸覺和痛覺集成感知引起了越來越多研究人員的關注。
目前，有兩種策略可以實現觸覺和痛覺集成感知。最經典的方法是將力傳感器和突觸類器件結合，利用力傳感器的輸出控制晶體管或憶阻器的激活，從而實現觸覺和痛覺狀態之間的動態切換。另一種集成策略是構建具有獨特電學響應行為的一體式力傳感器，比如通過傳感組件之間的靈敏度差異或者靈敏度突變特性來響應觸覺和痛覺。然而，上述兩種構建策略都存在一些局限。以分散形式結合力傳感器和突觸器件會增加集成系統的復雜性和制造難度。盡管一體式傳感結構可以簡化耦合過程并實現高效集成，但目前的人工感知系統主要關注觸覺和痛覺的集成策略和耦合過程，而忽視了人體皮膚特有的感知性能和功能。如圖1a所示，在人體皮膚感知系統中，機械閾值誘導的受體激活是產生觸覺和痛覺的主要原因。此外，人體皮膚追求超靈敏觸覺和痛覺功能的高效集成，并通過電信號突變行為來指示兩種感覺之間的動態切換。因此，通過合理的材料和結構設計，實現具有靈敏觸覺和痛覺功能高效耦合的人工感覺系統具有重要的意義。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬研究員基于在碳基/高分子復合薄膜的構筑及其柔性傳感方面的研究基礎，設計了一種由石墨烯導電薄膜組成的懸浮雙層傳感結構，實現了機械閾值介導的觸痛高效集成感知。
在該工作中，雙層感知結構主要由懸浮彈性形變層和機械接觸感應基底構成。相比于單一懸浮構型，雙層結構利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機械接觸行為分別觸發低閾值和高閾值傳感模式。在微觀層面上，石墨烯納米片層通過連續的橫向電分離和縱向電接觸來響應觸覺向痛覺的轉變，并表現出電流反向突變行為(圖1b)。懸浮式結構可以靈敏捕捉微弱形變，能分辨20 μm的微小動態位移并檢測到低至0.02 Pa的極微弱觸覺信息。即使在5200次循環刺激下，還能保持穩定可靠的觸痛響應性能。此外，通過構建小型化傳感陣列并結合光學反饋模塊，還能實現對尖銳物體的可視化觸覺感知和痛覺預警。最后，集成到商用機器人手部的懸浮雙層傳感器可以作為高效、安全的人機界面，主動保護人類免受機器傷害，同時避免機械力對機器人皮膚帶來的損傷(圖1c)。總之，基于三維形變和機械接觸機制的懸浮式人工感知系統高效模仿了生物皮膚的觸痛感知行為，在仿生電子和友好人機交互等領域表現出巨大的應用潛力。
該工作近期以題為“A Suspended, Three-dimensional Morphing Sensory System for Robots to Feel and Protect”的論文發表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2024,https://doi.org/10.1002/adma.202403447)。本研究得到了國家重點研發計劃(2022YFC2805200)、國家自然科學基金(52373094、52073295)、浙江實驗室開放研究項目(No.2022MG0AB01)、中德合作國際交流項目(M-0424)、寧波國際合作項目(2023H019)等項目的資助。(海洋關鍵材料重點實驗室 周偉、肖鵬)
圖1 具有觸痛集成感知的懸浮雙層電子皮膚及其友好人機交互應用
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