软体人工电感受器：未来的非接触式传感器

生物系统为最先进的仿生电子学提供了理想的模板，典型的有仿人机器人、 人工受体、 执行器和假肢。类似于皮肤的机械感受器，对周围环境的机械刺激有高度反应的触觉传感器已被部署在自主设备、人机界面（HMI）和虚拟/增强现实的各种应用中。然而，触觉传感器只有在被物理触摸或侵入时才会工作，但对预先接触的刺激却没有反应。因此，开发能够探测近端预接触事件的先进传感器是至关重要的，这需要开发超越接触模式范式的可靠传感系统。然而，接触前探测仍然具有挑战性，因为它涉及到需要在实际距离内准确检测的微弱信号。以前的工作已经证明了基于光感元件、电磁技术或超声波传感器的预接触或非接触检测。这些策略通常依赖于感知红外辐射或可见光谱，而它们受到环境参数的严重影响，如环境光、 天气变化和温度。此外，随着软体机器人和可拉伸电子器件（28）的发展，未来的非接触式传感器或界面也需要有足够的灵活性或可拉伸性。

研究成果

人工触觉传感器构成了基于触摸的人机界面应用的基础。然而，在物理接触之前，它们无法对远程事件作出反应。一些鱼类，如鲨鱼，使用电接收体感系统进行远程环境感知。受这种能力的启发，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、蒲雄研究员团队设计了一种软体人工电感受器，用于感知接近的目标。该电感受器由一个弹性驻极体促成，能够将环境预接触信息编码为一系列电压脉冲，作为独特的预接触人类界面。电感受器的应用被展示在一个预先警告系统、机器人控制、游戏操作和三维物体识别中。这些感知近端预接触事件的能力可以丰富人机界面电子的功能和应用。相关研究以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”为题发表在Science Advances期刊上。

研究亮点

1. 受鲨鱼电感系统的启发，使用耐用和生物兼容的部件设计了一个灵活的透明人工电感受器。该电感受器采用单电极配置，其结构包括一层带热电的弹性驻极体，一层作为离子电极的导电有机水凝胶，以及一层封装的硅胶基质PDMS。2. 在此基础上，多功能的无接触式人机界面被设计成可以确定目标的方向，操纵机器人手臂，并成功地玩电脑游戏。在机器学习算法的辅助下，它还证明了人工电感受器矩阵在区分目标的表面轮廓方面的可行性。3. 这项工作为使用软性设备的复杂和多维环境感知提供了见解，可能在可穿戴设备、软性机器人、智能假肢、增强现实等方面找到广泛的应用。

Fig. 1. Bioinspired soft electroreceptor.

Fig. 2. The characteristics of the electroreceptor for precontact sensing.

Fig. 3. Noncontact HMIs based on the electroreceptor.

Fig. 4. Bioinspired electroreceptor matrix for artificial proximal somatosensory system.

总结与展望

对更多功能的人机互动的要求需要超越传统的直接接触模式的感应系统。作者从鲨鱼的电接收策略中获得初步灵感，制造了一个可拉伸的透明人工电感受器，通过检测它们自然携带的电荷来感知接近的目标。人工电感受器能够将环境预接触信息编码为电压脉冲，各种类型的目标，包括金属、玻璃、塑料、聚合物和天然材料，都能被成功感应到。然后开发了没有物理接触的人机界面，以展示各种应用，包括感知接近的目标，操纵机器人手臂，以及玩电脑游戏。结合机器学习算法，还展示了使用电感受器矩阵构建人工近端体感系统进行三维物体识别的可行性。

与最先进的非接触式传感器，如激光、射频和超声波传感器相比，该电感受器在距离感应精度方面可能存在缺陷;而在缩短距离时，电感受器的反应更灵敏，这可能是有利的，因为短距离精度可能是激光或超声波传感器的一个限制。此外，这些独特的优势将使我们的电感受器在某些应用中更有竞争力，包括（i）由于使用了弹性体和水凝胶材料，它具有内在的柔软性、可伸展性、透明度和生物相容性；（ii）传感器的功耗可以忽略不计，因为它自己会从运动中产生电压信号；以及（iii） 适用于各种材料，尽管它是透明的、导电的、磁性的或不是。因此，提出的用软性设备实现电感知的策略被认为可以丰富感知的维度，设想超越接触模式范式的人机交互电子装置将成为主流的交互手段，特别是在这个COVID-19大流行中。

文献链接

Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation， Sci. Adv. 8， eabo5201 （2022）， https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abo5201