皮膚式指尖傳感器誕生,記錄匠人技藝成為可能|Science

2020-12-02 騰訊網

一種難以察覺的輕薄傳感器可記錄手指運動和觸覺。利用這種技術，科學家或能記錄下手工藝人或外科醫生的手部動作，來訓練機器完成任務。

來源 東京大學

翻譯 阿金

審校 戚譯引

研究人員研發出一種超薄壓力傳感器，能夠直接附著到皮膚上。該傳感器可測量手指與物體的互作方式，產生有助於醫學和技術應用的有效數據。而且對使用者的手指靈敏度、以及抓取物體能力的影響程度微乎其微，同時還耐摩擦。團隊希望自己的傳感器能夠用於一個新穎的任務——通過數碼方式記錄手藝人的技藝。

出於多種原因，研究人員想要記錄與雙手和手指的動作以及其他物理細節。我們的雙手是最原始的工具，能夠直接接觸並操控材料，與當下環境互動。通過記錄下雙手執行各種任務的方式，能夠幫助運動、醫學、神經工程及其他領域的研究人員。

但是捕捉這些數據並不容易。「我們的指尖極端敏感，敏感到哪怕只有幾百萬分之一米厚的超薄塑料薄片都能影響人的感覺。」東京大學 Someya 團隊的講師 Sunghoon Lee 說，「所以用於手指的可穿戴傳感器必須極其輕薄。但這顯然會讓傳感器非常脆弱，容易因摩擦或重複的物理動作而受損。為了克服這一問題，我們創造出一種特殊的功能性材料，輕薄又多孔，稱作納米網狀傳感器（nanomesh sensor）。」

Lee 和團隊製備出適用於傳感器的兩類層狀材料，都通過電子紡織（electro spinning）製成，類似於蜘蛛織網的過程。第一層材料是聚氨酯絕緣纖維網，厚度為 200 至 400 納米，只有人類頭髮絲厚度的五百分之一。第二層材料是模板狀絲網，構成了傳感器的功能性電子組件。它由金製成，使用聚乙烯醇框架支撐（聚乙烯醇常常用於隱形眼鏡），材料製備後能被洗去，只留下其所支撐的金材料痕跡。多層材料結合在一起，形成了可用的壓力和運動傳感器。

「在 18 位測試對象的幫助下，我們對傳感器展開了一系列嚴格測試。」Lee 說，「他們確認，與不戴傳感器執行任務相比，戴著傳感器的時候完全感覺不到它的存在，也不影響藉助摩擦力抓取物品的能力，不會影響手指的敏銳感知。這樣的結果正是我們所希望的。」

這是世界上首次成功展示不會影響皮膚敏感度的指尖傳感器。而且在用 100 千帕斯卡（相當於一個大氣壓）的力量摩擦表面 300 次之後，傳感器仍然能維持其作為壓力傳感器的性能，且沒有受損。團隊希望能夠看到該器件的一個新穎應用形式：通過數碼手段記錄藝術家或者高水平外科醫生的精湛技藝。如果能夠記錄下這些過程，就能夠以之前從未達到的高保真度訓練機器執行任務。

論文信息

【論文標題】Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference

【論文作者】Sunghoon Lee,Sae Franklin,Faezeh Arab Hassani, et al.

【發表時間】2020.11.20

【發表期刊】Science

【論文連結】

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966.full

【論文編號】10.1126/science.abc9735

【論文摘要】Monitoring of finger manipulation without disturbing the inherent functionalities is critical to understand the sense of natural touch. However, worn or attached sensors affect the natural feeling of the skin. We developed nanomesh pressure sensors that can monitor finger pressure without detectable effects on human sensation. The effect of the sensor on human sensation was quantitatively investigated, and the sensor-applied finger exhibits comparable grip forces with those of the bare finger, even though the attachment of a 2-micrometer-thick polymeric film results in a 14% increase in the grip force after adjusting for friction. Simultaneously, the sensor exhibits an extreme mechanical durability against cyclic shearing and friction greater than hundreds of kilopascals.

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