中国科大AFM: 全球首款水下多模态电子皮肤

2022-10-13 03:10

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电子皮肤通过仿生人体皮肤柔软力学特性及触觉感知功能，对压力、振动、压力分布、温度、湿度等多参量信号具备高精度感知能力，在可穿戴健康监测、运动监测、人机交互、物联网等诸多领域得到了蓬勃的发展。但是，当前电子皮肤主要应用于空气环境，水下环境的复杂多变性使得电子皮肤在水下应用中面临诸多挑战。例如额外的防水封装影响器件柔性与传感性能、高水压影响传感精度准度等。目前还没有一种水下传感技术能够兼具多模态触觉与环境信号（接触压、触觉分布、液压、温度、盐度等）的一体化感知、高结构柔软性和高信号保真度的特性。

近日，中国科学技术大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作研发了全球首款应用于水下场景的多模态电子皮肤，首次实现了水下触觉信号和环境信号的一体化监测，创新性地提出了接触压、触觉图像、温度、深度和盐度的多模态传感方式；提出环境一体化的免封装水下离电触觉传感新机理，实现了任意水深下的高精度、高准确度、多参量测量，进而设计了一系列水下场景应用的智能方案。该论文以“Aquatic Skin Enabled by Multi-Modality Iontronic Sensing”为题发表在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上。

柔性离电触觉传感机理是继电阻式、电容式、压电式传感之后，全球最新一代的柔性传感技术，其超高灵敏度、超高信噪比、高透明度及自身抗干扰的特点使其成为未来最有前景的传感技术之一。柔性离电触觉传感器是通过检测具有压力敏感结构的离子/电子界面处的超电容，实现对压力信号的测量。潘挺睿教授领导的中国科学技术大学 iMIND 科研团队作为离电传感技术的发明者与开拓者，在这一领域持续深入钻研，开发了基于液滴式、薄膜式、纤维式、皮肤式等多种离电传感器件，并将其广泛应用于健康监测、医疗诊断、人机界面等前沿领域中。离电触觉传感器由离子导电材料和电极组成，由于水本身是一种最常见的离子材料，将水作为传感结构的一部分，形成压力下可变的水/电极超电容界面，从而免去了额外的封装结构，同时巧妙的实现了传感器内外的液压平衡。因而，使该全新的离电传感设计成为解决柔性触觉传感器在任意水深环境下使用的关键技术突破。

利用水环境和电极表面之间的天然离电界面，本文提出了一种水下环境中的触觉传感策略（Aquatic Skin），首次在一个柔性无封装体系中集成了多模态传感功能，包括接触压、触觉图像、深度、温度和盐度。值得注意的是，这里不同的传感功能均是基于高灵敏的离电传感机制，从而极大的简化了传感结构、材料组成、制备工艺与信号采集，形成了材料、结构一体化的柔弹性传感架构。这当中，接触压和触觉图像的感知基于创新性的逆向离电传感机理，这种传感机理将环境中的水作为离电功能材料，夹在具有微观压敏结构的功能弹性体和电极之间。接触压的提高增加了弹性体与电极之间的接触面积，从而使水与电极之间离电界面减小，降低了传感器的电容输出。因这一过程与传统的压力增加带来的离电传感器输出电容升高相反，因此被称为逆向离电传感。这种新型的传感方式实现了水下无封装下接触压信号的感知，自身液压平衡的设计使得传感器在任意水深下实现高精度和高准度的接触压测量。除此之外，Aquatic skin的深度测量模块采用了传统的正向离电传感机理与结构设计，温度测量模块则基于离电功能材料的温敏特性，而盐度测量模块则是通过直接测定水的单位面积电容得到。

图1 水下多模态电子皮肤结构及传感机制

多模态水下电子皮肤可以在不同深度下实现接触压力的高敏感精确测量，在一定的水深范围内（0-40m）其接触压力响应曲线保持不变，并可以实现亚帕斯卡级别的（0.59Pa）高分辨接触压感知。得益于其开放式、无封装的结构设计，接触压信号不受液压因素的影响，解决了现有水下触觉传感器的液压平衡结构设计产生所带来的尺寸过大、柔软性下降等问题。此外，利用水下多模态皮肤不同模块之间的数据处理可以实现环境自补偿功能，通过对盐度传感单元的输出可以与接触压感知单元的输出的简单数学处理，可以消除环境温度和盐度对接触压信号的影响，提高了传感器在水下复杂环境中测量的准确性与稳定性。

水下多模态电子皮肤在多个场景下具有潜在的应用价值，包括海洋活动及潜水安全、水下机器人精细操作、水生生物运动监测等诸多领域。作为水下柔性可穿戴设备，水下多模态电子皮肤可以用于检测动脉搏波引起的皮肤压力变化、评估运动姿态并实时测量水下深度温度和盐度，从而实现潜水员的水下实时健康和安全监测。此外，将阵列化的水下多模态电子皮肤直接贴装在机器人末端执行器上，可以实现抓取过程中接触力的实时感知，同时确定相关水文信息。作者通过构建一种高密度触觉阵列，首次实现了水下高空间分辨触觉图像获取，其空间分辨率高达0.4mm，比人类指尖触觉空间分辨率还要高出2倍以上，从而获得抓取物体表面形状与纹理的高保真图像，实现水下抓取过程中准确的物体识别。