Science Robotics封面：柔性电子皮肤赋予机械手多模式感知

2022-06-03 03:06

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疫情之下，人们总是担心自己是否暴露在病毒之中。核酸检测时，不仅仅是被检测者因为短暂的无保护状态惶恐不安，身穿防护服的医护人员也同样面临着巨大的风险。在环境中或物品表面残存的病毒也很容易趁机入侵健康人群。如果能够使用机器人完成指定的采样操作与原位实时检测，那么就可以十分有效的降低相关医护人员的暴露风险。更进一步，我们希望让机器人对周围环境的物体有着灵敏的触觉感知，并同时能够对其表面存在的多种有害物质进行原位检测。

近日，加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授研究团队通过喷墨打印技术构建多模式柔性电子皮肤作为新型人机交互界面，将人与机器融合为一个整体，人在精准操控机器的同时也能通过机器端的传感器以及反馈机制感受到机器端所处的环境状态。该研究成果以“All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing”为题，发表于Science Robotics，并作为封面推荐文章。

在机器人感知领域，绝大部分的焦点都集中在物理信号的感知，如触觉（压力）传感，温度传感等。如果能够增加对于环境中的化学样品以及生物样品的检测，那么无疑将大幅提高机器人感知的应用范围，使得机器人能够替代人类在有毒有害的环境中工作，高效地判断有害物质的种类及浓度，以避免人类潜在的暴露风险。因此，研究团队构建了包含压力，温度，化学信号及生物信号等多模式传感的柔性电子皮肤，并非常良好的贴合在形状各异的机器人上。柔性电子皮肤在监测压力与温度的同时，也实现了对爆炸物（TNT），神经毒气（有机磷），病毒（新冠病毒）等有害物质的高灵敏度原位检测。

在人工智能（Artificial Intelligence）的帮助下，置于人体手臂上的柔性电子皮肤实现了多种不同手势肌电信号的识别与判断，包含上，下，左，右，抓握，伸张等六种手势，实现机械臂及机械手的准确操控。通过电子皮肤中电刺激的反馈机制，了解机器端的相关信息如抓握力度以及有害物质浓度等形成闭环操控。

研究团队使用喷墨打印技术，低成本的将多种纳米材料如银纳米粒子，银纳米线，石墨烯，碳纳米管等修饰在柔性基底上，通过不同纳米材料的组合构建相应物理及化学传感器。将银纳米线修饰在具有特殊表面结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，构建了压阻式压力传感器，赋予了机械手触觉感知。同时，修饰铂纳米粒子参杂的石墨烯和MOF-808/金纳米粒子的两种电化学传感器在水凝胶帮助下能够分别原位检测微量的TNT与有机磷。针对新冠病毒检测，研究团队在喷墨打印的碳纳米管基础上，修饰有相应的新冠病毒突刺抗体，通过电化学信号的强弱实现对新冠病毒的原位实时检测。

通过多次手势控制使得机械臂靠近目标物，在向下移动到过程中，激光距离传感器首先被触发，反馈给系统，表明机械手下方有待测物体存在，机械臂同时降低移动速度靠近以免过快接触而造成损伤。持续接近被测物直到电子皮肤上的一枚压力传感器被触发，此时通过手臂电子皮肤上的电刺激传递已经接触了被测物的信息，机械臂也停止继续向下的动作，在下一步进行抓握手势后，机械手抓住被测物体。在抓握动作完成后，又有多个压力传感器被触发，并同时启动相应位置的电化学传感器。电化学传感器对于所触碰的位置进行原位检测，根据信号强弱计算出相应位置的有害物质浓度，并得到有害物质在物体表面的分布情况。

喷墨打印技术使得制作的电子皮肤可以便捷的更换图案和形状，因此研究团队将多模式传感的柔性电子转移到了船型机器人之上，构建起全自动智能化的有害物质位置追踪机器人。三个化学传感器分别被放置于机器人的正前方与左右两侧，根据传感器所在位置有害物质浓度的不同，推测出泄漏点的方位并进行移动。在多次判断后，准确的找到泄漏点。

本文中通过喷墨打印技术构建的多模式传感电子皮肤为人机交互和机器感知领域提供了新的思路，高度集成化的电子皮肤可以高效采集环境信息的同时实现精确的机械控制与信号反馈。

本文的通讯作者为加州理工学院医学工程系的高伟教授，论文的第一作者为课题组的于游博士，现为上海科技大学生物医学工程学院助理教授，共同第一作者为课题组博士研究生Jiahong Li和Samuel A. Solomon。其他作者为 Jihong Min, Jiaobing Tu, Wei Guo, Changhao Xu及Yu Song博士。