作者:郭爽 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/4/1 12:51:33
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我国科学家研制成功“吹弹可破”的电子皮肤

 

“一间灯光明亮的手术室里,一位穿着电子皮肤的机器人正在有条不紊地做着手术,操作者则是手术室外面的医生,但他可以清楚地感受到病人的每一寸组织的强度。同时,可以将另一块电子皮肤植入病人体内,实时监控患者术后的愈合情况……”这种只存在于科幻电影中的画面,过不了多久就会“演绎”在现实世界里。

近日,中科院半导体所研究员沈国震课题组与中国人民解放军总医院姜凯教授合作,成功研制出一种基于石墨烯材料的新型柔性触觉传感器,实现了类似人体皮肤功能,可快速感知微小压力变化,从而构筑了具有高灵敏度和高稳定性的人造仿生电子皮肤。该类器件在消费电子、军事、医疗健康等领域具有极大的应用潜力。

“可以感受到一根羽毛的重量”

电子皮肤即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器,是一种用于实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。

“它能够像人体皮肤一样具有柔韧性,可以任意弯曲与变形,能够实现仿人类触觉感知的功能。”中国科学院半导体所超晶格国家重点实验室研究员沈国震近日在接受《中国科学报》记者采访时表示。“即便是对轻如一根羽毛,小至一粒大米的物体停留在其表面所造成的触觉,也能够清晰地感知出来,而且感应速度极快。”

据介绍,人类皮肤的感触响应时间为30-50 毫秒,该器件灵敏度高达15.6kPa-1,具有十分优异的传感性能,其响应时间仅需5毫秒,并能够循环工作10万次以上。从这些数据上看,电子皮肤的“感觉”一点都不比人类的差。

“其实,相对于听觉、视觉而言,触觉感官的模仿十分困难。”沈国震坦言,因为模拟触摸感觉需要发展高空间分辨率、高灵敏度、快速响应和大尺寸的压力传感器阵列,并且为了模仿自然皮肤的触觉感知特性,必须发展大面积柔性高像素力传感器阵列。

目前,科学家使用的纳米材料虽然取得了一定突破,但石墨烯具有优越的力学、电学、光学等性质,使得他们不禁想要尝试这二维明星碳纳米材料。

明星材料—石墨烯

“石墨烯材料与可穿戴仪器最近两年很火,火到我们不由自主的想要把两者结合起来,结果,显而易见,效果非常好。”沈国震特别强调了石墨烯。

石墨烯制备方法丰富,具有广阔的结构性能调控空间,研究其结构与性能之间的关联,对于发展和推动基于纳米材料的新型柔性触觉传感,具有重大的现实意义。然而传统的石墨烯由于其良好的导电性,将其应用在压阻型柔性压力传感器中时,器件对压力的电学性能变化并不明显。

“为了解决这一问题,我们将石墨烯与聚偏氟乙烯纳米纤维进行复合形成的三维网络,使得器件电学性能可调性增强,更适于应用在仿生电子皮肤领域。”沈国震介绍说。石墨烯与一维纳米纤维构成的三维网状结构,更有利于器件感受到微小压力的变化。经过测试发现器件对一粒大米甚至是一根小小的羽毛都有明显的响应,且远小于人类皮肤对物体的响应时间。

沈国震课题组虽然从事柔性电子学研究多年,但初入电子皮肤领域时,还是遇到了很多问题。

“比如在研究基于石墨烯材料电子皮肤与健康监测方面的应用时,需要测试传感器件在几万次循环工作后的传感性能是否有变化以及传感器在不同频率压力下的响应,但是实验室中又缺少相关的专业设备来测试,使得整个实验无法顺利进行。”沈国震坦言。

当科研人员正在苦闷的时候,他们看到课题组几位做柔性光电探测方向的研究人员常常利用斩波器来测试不同频率下的光响应,盯着转速可调的斩波器,他们灵光一现想到如果将砝码与斩波器相连,利用斩波器的转动就有可能为器件提供长期稳定不同频率的压强。经过一番努力,课题组终于完成了器件在10万次以上循环的测试,获得了能够长期稳定工作的器件。

“内外”皆研究但尚需时日

“目前这种仿生电子皮肤已经被尝试应用在医学领域,用来实现对脉搏跳动、语音识别等人体生理信号的实时快速检测。”中国人民解放军总医院教授姜凯告诉记者。

例如,通过对人体说话时的喉部肌肉群运动产生的微弱压力变化以及通过对脉搏变化的分析,可以初步实现语音识别与人体不同生理状态的准确检测,有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面获得广泛应用。

新型可穿戴柔性仿生触觉传感器的出现,为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段,不仅更加符合人类对于细微虚拟现实场景中的操作习惯,同时也更好的适应了人类较为敏感的外部神经,以达到更好地体验感和交互性,是一种非常接近真实自然的三维交互手段。

人造仿生电子皮肤作为可穿戴设备的一种,其研究和开发受到了来自不同学科研究人员的重视。

据介绍,中科院苏州纳米所张珽课题组,利用单臂碳纳米管(SWNT)作为电极在丝绸上固化形成的PDMS薄膜制作了柔性高灵敏度电阻式压力传感器,以及浙江大学董树荣老师课题组在高分辨率多感觉电子皮肤的研究上都取得了突破。

而美日德中韩等国研究人员也都各自开发出了触感细微的电子皮肤,并解决了其互动性、延展性等技术难题。

例如美国德克萨斯大学和韩国首尔大学的研究团队开发出了一种仅有3微米厚度的电子皮肤,贴在手上看起来会有点像纹身一样。

美国斯坦福大学女科学家鲍哲南团队为人造电子皮肤增加了透明和可拉伸的功能。该团队还正在研制可以感知温度、痛觉并且具备良好自愈能力的电子皮肤,当其受到损伤后,几秒内强度和导电性就能恢复到原来的75%,30分钟后几乎就恢复如初。如果应用到手机屏幕上,或许人们就会拥有一个屏幕摔碎也能神奇恢复的手机。

随着尖端材料科学研究的深入,石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等特殊材料因其超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性,被认定为电子皮肤的优良基底。

人造仿生电子皮肤未来除了进一步提高其性能,解决其压力传感器阵列缺乏柔弹性、新型传感单元难于阵列化形成电子皮肤以及制作工艺复杂、成本高等缺点外,人造仿生电子皮肤的发展趋势主要集中在医疗、人工智能以及虚拟现实等领域。

“在医疗上,对于许多烧伤烫伤的患者、截肢患者以及整容者来说,人造皮肤拥有触觉可以给他们带来很大的益处。”姜凯介绍。

科研人员认为,除了医疗方面的使用,电子皮肤在机器人设计,可穿戴设备和人工智能方面等领域均能够大展身手,将电子皮肤与之相结合是未来人工智能机器人重要的发展方向。

“日本福岛地震后,由于辐射严重已不适宜人类工作,日本政府委托本田公司为已有的ASIMO机器人研制电子皮肤,以使其能够更好地感知周围环境,工作于大地震后核辐射最严重的区域。”沈国震告诉记者。

由此可见,仿生电子皮肤在消费电子、军事、医疗健康乃至更为科幻的机器人“仿人体皮肤”等领域,都将为人类科技带来革命性的突破。

“不过,目前人造皮肤主要用于医疗方面,并且成本较高,所以将其应用在人工智能与虚拟现实等领域设想的实现尚需时日。”沈国震坦言。

 
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