新型電子皮膚:更像人類皮膚,可同時感知溫度和應力!

2020-11-29 環球創新智慧

導讀

據韓國浦項科技大學官網近日報導，該校與美國史丹福大學的研究人員組成的聯合研究小組共同開發出一款多模態離子電子皮膚，它可以同時測量溫度和機械刺激。

背景

如果沒有皮膚，我們會怎樣？我們將失去觸覺，無法感知冷暖和疼痛，無法對大多數情況做出反應。皮膚不僅是器官的保護殼，還是生存所需的信號系統，它提供了關於外界刺激和溫度的信息。觸覺感受器，緊密地分布在整個皮膚上，感受溫度或者機械刺激（例如觸摸或揉捏）並將其轉化為電信號，然後傳送給大腦。

人類皮膚的層次、觸覺感受器和附屬物。（圖片來源：維基百科）

電子皮膚（e-skins）是一種模仿人類皮膚的柔性電子設備。它由輕薄、透明、柔性、可拉伸的材料製成，可非常方便地貼合於人體皮膚表面，感知壓力、溫度等外界環境刺激，實現人工觸覺。

（圖片來源：雪梨大學）

電子皮膚的應用前景非常廣闊。例如作為可穿戴設備，它可以非常方便地貼在皮膚表面，監測心率、體表溫度、血氧水平、運動量及其他生理參數，還能監測與炎症甚至胰島素有關的重要生理指標。

監測心率、呼吸、肌肉運動等健康數據的電子皮膚（圖片來源：大邱慶北科學技術院）

此外，電子皮膚還可以應用於類人機器人和假肢製造，感知壓力、溫度等外界環境刺激，實現人工觸覺，讓假肢和類人機器人像真正的人體一樣感知周圍環境。

電子皮膚使機器手臂能感知冷熱（圖片來源： 休斯頓大學）

將電子皮膚應用於人造皮膚或類人機器人的挑戰在於：使之儘可能像人類皮膚一樣感受溫度和運動。目前為止，雖然有一些電子皮膚可以單獨地檢測運動或溫度，但都不能像人類皮膚一樣同時識別二者。創新近日，韓國浦項科技大學（POSTECH）材料科學與工程系教授 Unyong Jeong 和 Insang You 博士與美國史丹福大學教授鮑哲楠（Zhenan Bao）組成的聯合研究小組共同開發出一款多模態離子電子皮膚，它可以同時測量溫度和機械刺激。

（圖片來源：浦項科技大學）

這項研究成果發表在11月20日出版的《科學》（Science）雜誌上，其特點是通過應用離子導體的特殊性能，打造非常簡單的結構。技術人類皮膚上有各種各樣的觸覺感受器，可以檢測到熱或冷的溫度以及其他觸覺，例如捏、扭或推等。人類通過這些感受器，可以區分機械刺激和溫度。目前製造出的傳統電子皮膚，在測量溫度時，如果向皮膚上施加機械刺激，就會有較大的誤差。因為含有電解質，所以人類皮膚可以自由伸縮，而又不被破壞。因此，聯合研究小組利用電解質製作傳感器。他們還利用了一點，即含有電解質的離子導體材料根據其測量頻率的不同，具有不同的可測量特性。在這一新發現的基礎上，他們製作出一種多功能的人工感受器，可以同時測量觸覺和溫度。

當離子電子皮膚受擠壓時的識別圖像。接觸部分的溫度變化和力的方向被精準地識別出來。（圖片來源：浦項科技大學）

此外，研究小組還得出了只對離子導體的溫度作出響應的變量以及只對機械刺激作出響應的變量（電荷弛豫時間和歸一化電容）。變量的輸出可以僅在兩個測量頻率下測得。電荷弛豫時間，也就是離子的極化消失所需的時間，可用於測量溫度，不會對運動作出響應；而歸一化電容可以測量運動，不會對溫度作出響應。

在貼上傳感器後，紅外照相機可以測量到飲酒前後的離子電子皮膚的溫度變化。儘管頸部在運動，但離子電子皮膚還是可以準確地識別體溫。（圖片來源：浦項科技大學）

價值這種具有簡單的「電極-電解質-電極」結構的人工感受器具有巨大的商業化潛力，可以準確地測量被施加的物體的溫度，以及在受到擠壓、揉捏、舒張以及扭轉等外部刺激時的方向或者應力情況。這種多模態的離子電子皮膚可以自由拉伸或者變化，也可以檢測溫度，預計將應用於可穿戴溫度傳感器或類人機器人的機器人皮膚。論文第一作者、浦項科技大學的 Insang You 博士解釋道：「當食指接觸電子皮膚時，電子皮膚將接觸檢測為溫度變化，而當手指推動皮膚時，接觸區域的後半部分會拉伸，並將其識別為運動。我覺得，這種機制是實際人類皮膚識別不同刺激的方式之一，例如溫度和運動。"浦項科技大學教授、論文通訊作者 Unyong Jeong 表示：「這項研究是打開使用電解質的多模態電子皮膚研究大門的第一步。這項研究的最終目標，是創造出模擬人類觸覺感受器和神經遞質的人工離子電子皮膚，這將有助於恢復因疾病或事故而失去觸覺的患者的觸覺。」

關鍵詞

電子皮膚、傳感器、電解質

參考資料

【1】Insang You, David G. Mackanic, Naoji Matsuhisa, Jiheong Kang, Jimin Kwon, Levent Beker, Jaewan Mun, Wonjeong Suh, Tae Yeong Kim, Jeffrey B.-H. Tok, Zhenan Bao, Unyong Jeong. Artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics. Science, 2020; 370 (6519): 961 DOI: 10.1126/science.aba5132

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