e-skin:受魚(yú)啟發(fā)的傳感器使用電場(chǎng)“觸摸”

在不看到或觸摸附近存在的情況下檢測到它的能力聽(tīng)起來(lái)可能很棒——但這是某些生物所具有的真實(shí)能力。一個(gè)被稱(chēng)為 Mormyrids 的非洲魚(yú)家族的電能力很弱，并且具有可以定位附近獵物的特殊器官，無(wú)論是在渾濁的水中還是躲在泥濘中?，F在，科學(xué)家們創(chuàng )造了一個(gè)受大自然原始設計的啟發(fā)的人工傳感器系統。有朝一日，這項開(kāi)發(fā)可能會(huì )在機器人和智能假肢中找到用武之地，以便在不依賴(lài)機器視覺(jué)的情況下定位物品。

“我們開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)電子皮膚進(jìn)行 3D 運動(dòng)定位的新策略，其生物靈感來(lái)自'電魚(yú)'，”香港城市大學(xué)生物醫學(xué)工程系副教授 Xinge Yu 說(shuō)。該團隊在 11 月 14 日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中描述了他們的傳感器，該傳感器依靠電容來(lái)檢測物體，而不管其電導率如何。

傳感器的一層充當發(fā)射器，產(chǎn)生超出設備表面的電場(chǎng)。另一層充當接收器，能夠檢測物體的方向和距離。這允許傳感器系統在三維空間中定位物體。

e-skin 傳感器包括多個(gè)層，包括接收器和發(fā)射器。

傳感器電極層由生物凝膠制成，該生物凝膠印制在聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 制成的介電基板的兩側，PDMS 是一種常用于生物醫學(xué)應用的硅基聚合物。生物凝膠層從其表面的微通道模式接收電信號。最終結果是一個(gè)薄、靈活、柔軟、可拉伸和透明的傳感器。這些特性使其適用于物體傳感系統需要適應不規則表面（如人體）的廣泛應用。

當物體進(jìn)入范圍內時(shí)，傳感器周?chē)碾娙輬?chǎng)會(huì )受到干擾，而接收器又可以檢測到。信號變化的大小表示到目標的距離。通過(guò)在陣列中使用多個(gè)傳感器，系統可以在三個(gè)維度上確定目標的位置。本研究中創(chuàng )建的系統在空氣中使用時(shí)能夠檢測到最遠 10 厘米外的物體。在水下使用時(shí)，射程會(huì )增加，最高可達 1 米。

為了正常工作，傳感器還需要一個(gè)通過(guò)銀線(xiàn)或銅線(xiàn)連接的單獨控制器組件?？刂破魈峁┒喾N功能。它創(chuàng )建用于激活傳輸層的驅動(dòng)信號。它還使用 16 位模數轉換器從接收層收集信號。然后，這些數據由連接到傳感器陣列的微控制器單元處理，在那里它計算目標物體的位置，并通過(guò)低功耗藍牙發(fā)射器將該信息發(fā)送到智能手機或其他設備。（而不是將原始數據發(fā)送到終端設備進(jìn)行計算，這將需要更多的能量）。

電源由集成的鋰離子電池提供，該電池通過(guò)銅線(xiàn)線(xiàn)圈進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。該系統旨在消耗最少的電力。該控制器的柔韌性和透明度不如傳感器，但通過(guò)封裝在 PDMS 中，它既防水又具有生物相容性。

該系統在檢測直徑約 8 毫米的物體時(shí)效果最佳。小于 4 mm 的物體可能無(wú)法準確檢測，并且感應大于 8 mm 的物體的響應時(shí)間可能會(huì )顯著(zhù)增加。目前，這可能將系統的實(shí)際用途限制在跟蹤人機界面的手指運動(dòng)等方面。需要未來(lái)的發(fā)展來(lái)探測更大的目標。

該系統可以檢測布或紙屏障后面的物體，但其他環(huán)境因素可能會(huì )降低性能?？諝鉂穸鹊淖兓约皞鞲衅髦?chē)?40 cm 范圍內人或其他設備的電磁干擾會(huì )降低精度。

研究人員希望這種傳感器有朝一日能夠開(kāi)辟一系列新的可穿戴傳感器，包括用于人機界面和輕薄柔性電子皮膚的設備。