e-skin:受魚啟發(fā)的傳感器使用電場“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起來可能很棒——但這是某些生物所具有的真實(shí)能力。一個(gè)被稱為 Mormyrids 的非洲魚家族的電能力很弱，并且具有可以定位附近獵物的特殊器官，無論是在渾濁的水中還是躲在泥濘中?，F(xiàn)在，科學(xué)家們創(chuàng)造了一個(gè)受大自然原始設(shè)計(jì)的啟發(fā)的人工傳感器系統(tǒng)。有朝一日，這項(xiàng)開發(fā)可能會(huì)在機(jī)器人和智能假肢中找到用武之地，以便在不依賴機(jī)器視覺的情況下定位物品。

“我們開發(fā)了一種通過電子皮膚進(jìn)行 3D 運(yùn)動(dòng)定位的新策略，其生物靈感來自'電魚'，”香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授 Xinge Yu 說。該團(tuán)隊(duì)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檢測物體，而不管其電導(dǎo)率如何。

傳感器的一層充當(dāng)發(fā)射器，產(chǎn)生超出設(shè)備表面的電場。另一層充當(dāng)接收器，能夠檢測物體的方向和距離。這允許傳感器系統(tǒng)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(cè)，PDMS 是一種常用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(hào)。最終結(jié)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(tǒng)需要適應(yīng)不規(guī)則表面（如人體）的廣泛應(yīng)用。

當(dāng)物體進(jìn)入范圍內(nèi)時(shí)，傳感器周圍的電容場會(huì)受到干擾，而接收器又可以檢測到。信號(hào)變化的大小表示到目標(biāo)的距離。通過在陣列中使用多個(gè)傳感器，系統(tǒng)可以在三個(gè)維度上確定目標(biāo)的位置。本研究中創(chuàng)建的系統(tǒng)在空氣中使用時(shí)能夠檢測到最遠(yuǎn) 10 厘米外的物體。在水下使用時(shí)，射程會(huì)增加，最高可達(dá) 1 米。

為了正常工作，傳感器還需要一個(gè)通過銀線或銅線連接的單獨(dú)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(qū)動(dòng)信號(hào)。它還使用 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器從接收層收集信號(hào)。然后，這些數(shù)據(jù)由連接到傳感器陣列的微控制器單元處理，在那里它計(jì)算目標(biāo)物體的位置，并通過低功耗藍(lán)牙發(fā)射器將該信息發(fā)送到智能手機(jī)或其他設(shè)備。（而不是將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備進(jìn)行計(jì)算，這將需要更多的能量）。

電源由集成的鋰離子電池提供，該電池通過銅線線圈進(jìn)行無線充電。該系統(tǒng)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，但通過封裝在 PDMS 中，它既防水又具有生物相容性。

該系統(tǒng)在檢測直徑約 8 毫米的物體時(shí)效果最佳。小于 4 mm 的物體可能無法準(zhǔn)確檢測，并且感應(yīng)大于 8 mm 的物體的響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)顯著增加。目前，這可能將系統(tǒng)的實(shí)際用途限制在跟蹤人機(jī)界面的手指運(yùn)動(dòng)等方面。需要未來的發(fā)展來探測更大的目標(biāo)。

該系統(tǒng)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约皞鞲衅髦車?40 cm 范圍內(nèi)人或其他設(shè)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辟一系列新的可穿戴傳感器，包括用于人機(jī)界面和輕薄柔性電子皮膚的設(shè)備。