之江实验室在电子皮肤领域取得进展,实现应变不敏感且高分辨率触觉感知
2025-09-07 08:01:36 来源:麦姆斯咨询 评论:0 点击:
采用岛状结构的电子皮肤(e-skin)通过机械解耦隔离传感单元与变形,成为实现应变不敏感触觉感知的理想平台。然而,传统岛状设计因固有模量不匹配引起的应力集中问题,严重限制了可实现的岛密度。这种限制迫使研究人员在应变不敏感性和传感分辨率之间做出艰难的权衡。
据麦姆斯咨询报道,受人类触觉受体周围缠结弹性蛋白网络的启发,之江实验室的研究团队提出了一种仿生纤维缠结(fiber-entangled)岛状结构,可有效解决应力集中问题,为实现应变不敏感且高分辨率的触觉感知提供了可行方案。纤维缠结结构中缓解应力集中的机制基于其构成纤维的应变依赖性取向重构。为验证该方案,研究人员开发了同时兼具高分辨率和低应变干扰特性的压力传感电子皮肤。通过集成人工神经网络,这款电子皮肤成功实现了可穿戴盲文点读系统的概念验证功能。这项研究提出的纤维缠结结构有望成为下一代类人传感技术的通用平台。相关研究内容以“A Biomimetic Fiber-Entangled Permeable Electronic Skin for Strain-Insensitive and High-Resolution Tactile Sensing”为题发表在Advanced Science期刊上。
纤维缠结结构的设计理念
受弹性蛋白的启发——随机氨基酸缠结在应变作用下动态重构取向可以耗散机械应力,研究人员提出了具有优异机械稳定性的岛状阵列设计。该策略的核心是构建纤维缠结岛状结构,在岛状结构与衬底的界面处形成大量随机取向的纤维(如图1c)。衬底由低模量的静电纺丝弹性体垫构成,而岛状结构则采用高模量压敏材料。受到拉伸后,界面处纤维会发生应变依赖性取向重构,模拟缠结弹性蛋白的动态重组机制。这种行为能够使应力在纤维网络中重新分布,即使在高岛密度下也能有效抑制界面裂纹的产生。
图1 纤维缠结岛状结构
这项研究通过综合模拟和实验,验证了纤维缠结结构的应力耗散特性。在模拟方面,研究人员构建了简化的二维模型,包含由纤维连接的刚性岛状结构(如图2a)。所制备阵列受到不同程度的拉伸应变,观察到在岛状结构与衬底的界面处纤维取向发生变化(如图2b)。随着应变增加,纤维逐渐从随机取向转变为应变取向,该转变通过取向角分散度分析得到了定量验证(如图2c)。为了进一步阐明应力耗散机制,研究人员采用不同类型纤维垫制备岛阵列,并对其拉伸稳定性进行对比分析。与拉伸后仍能保持界面完整性的纤维缠结阵列不同,采用不可重构取向纤维(包括粘合纤维和准单向纤维)制备的阵列在承受50%拉伸应变后均出现界面失效(如图2d)。
图2 纤维缠结结构耗散拉伸应力的机制
基于纤维缠结结构的电子皮肤制备
研究人员制备了压敏纤维缠结阵列作为敏感层。通过进一步集成电极层(Ag/SEBS复合材料)和间隔层(对于降低应变干扰至关重要),成功构建了具有高像素密度和低应变干扰特性的纤维缠结电子皮肤(FE-e-skin,如图3a至图3c)。为提升器件性能,研究人员对电极进行了精心优化,所得电极在可拉伸电子皮肤应用中展现出卓越的机械性能。
另外,研究人员通过测试单像素FE-e-skin的压力传感特性,系统表征并验证了其纤维缠结结构的功能优势,相关实验结果如图3d至图3g。除出色的压力传感性能外,生物相容性也是可穿戴电子皮肤的关键指标,相关实验结果如图3h至图3j。
图3 基于纤维缠结结构的电子皮肤
基于纤维缠结电子皮肤的应变不敏感压力成像
作为一种兼具应变不敏感与高分辨率的压力传感器件,FE-e-skin被设计用于可穿戴压力成像,并通过1024像素阵列实现了1 mm的空间分辨率。图4a展示了压力成像过程的三个步骤:(1)像素级电容式压力转换;(2)通过集成电路实现高通量电容采集;(3)算法驱动的数据处理。这种方法可真实再现毫米级特征结构的物体,应变不敏感压力成像成果如图4所示。总之,纤维缠结结构同时兼具低应变干扰和高像素密度的特性,为动态可穿戴触觉感知所需的“应变不敏感压力成像”提供了关键技术支撑。FE-e-skin集成了高生物相容性和应变不敏感压力成像性能,在可穿戴应用领域具有广阔前景。
图4 基于纤维缠结电子皮肤的应变不敏感压力成像
可穿戴盲文点读系统的概念验证应用
为了验证纤维缠结结构在实际应用中的性能,研究人员将64单元FE-e-skin(空间分辨率为1 mm)集成到可穿戴手套中(如图5a和图5b)。通过将该手套与卷积神经网络相结合,成功构建了人工触觉感知系统。该人工触觉感知系统成功实现了盲文字符实时点读功能,为视障人士学习盲文提供了变革性工具,相关成果如图5所示。这些研究成果突出了该纤维缠结结构在人工触觉应用中的潜力,尤其适用于需频繁承受拉伸的可穿戴设备。
图5 可穿戴盲文点读系统的概念验证
综上所述,这项研究通过模拟人类皮肤触觉受体周围弹性蛋白的结构特征,提出了一种纤维缠结结构,能够在拉伸过程中耗散拉伸应力,从而解决了传统岛阵列电子皮肤固有的模量不匹配问题。应力耗散是由纤维在应变作用下从随机结构到有序结构的取向重构引起的。这项研究通过模板印刷工艺,成功制备出具备高可靠性压力成像能力的FE-e-skin。相较于其他尖端压力传感电子皮肤,FE-e-skin是迄今唯一能够同时实现高像素密度、低应变干扰、高透气性的器件策略。通过将FE-e-skin与高精度分类器集成,研究人员成功开发出可穿戴盲文点读系统,彰显了纤维缠结结构在人工触觉应用中的价值。鉴于纤维缠结结构制造工艺简单且可扩展,该策略具有商业化潜力,特别是在采用更可靠的电气连接以解决基线漂移问题时。总体而言,这种纤维缠结结构有望成为下一代类人传感技术的适应性强且鲁棒的平台,兼具卓越可靠性、高阵列密度和长期可穿戴性等核心优势。
论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202512111
延伸阅读:
上一篇:基于离电与压电的双模柔性压力传感器,助力机器人指尖触觉感知
下一篇:北京大学在触觉传感器方面取得进展,实现机器人指尖超分辨率力感知