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电子皮肤:缩小人机交互的距离

   

最近发表在《先进科学》(Advanced Science)上的一篇综述文章详细介绍了高性能电子皮肤的主要研究路线,特别专注于最新的技术和性能要求。

皮肤对于生存而言起到至关重要的作用,不仅是一个屏障,还是我们身体感知环境的高度灵敏的多功能传感器,同时皮肤受损后还具有自愈合功能。电子皮肤(e-skin)是人工智能以及人机交互技术的主要研究领域,其复杂性决定了它的标准。电子皮肤及相关技术在医疗领域还具有重要的作用,比如健康监测或作为假肢。

电子皮肤的感知能力必须具有快速响应的高分辨率及高灵敏度。基于压阻效应、电容和压电效应的电流传导方法已经产生了具有柔性和弹性的压力阵列。通常基板越薄,灵活性越好,然而实现弹性电子传感器也就越复杂。目前提高弹性的研究包括粘接方法,即将导电材料连接至橡胶或弹性基板上。另一种方法是利用本身具有弹性的导体来组装器件。

电子皮肤实际应用中的一个重要考虑因素就是弹性。晶体管阵列技术是大规模电子皮肤生产的重要途径。这些阵列具有理想的信号转导和放大,可在大面积范围内映射压力。该综述讨论了目前进一步提高这些器件柔性、分辨率及功耗的方法。为了获得与人体皮肤相当甚至更高的敏感度,高分辨率的敏感性就显得尤为重要。压阻或电容器传感器会随着器件尺寸减小而降低信号输出质量,而压电信号不会。因此说压电器件是高分辨小型化传感器的理想选择。

电子皮肤除了基本的压力传感功能以外,还开发了一些额外功能:连续运行时的自供能、自修复能力、同时区分多重刺激(比如温度、湿度、压力、应变)的能力。将这些发展与无线技术相结合,可以进行数据和能量的传输,做到传感器的实时监测或控制,如此一来就可以用于远程体内治疗临床,比如药物输送。

人体皮肤的全仿生需要复杂的工程来实现这种多功能性。电子皮肤不仅需要具有高灵敏度,还必须能够适应周围环境。虽然已经开发出了自修复和自供能传感器,但将电子皮肤应用于机器人及假肢方面仍然有很多挑战,比如高导电率和压力敏感度。欲了解更多关于高性能电子皮肤发展的相关信息,以及面临的挑战,读者可参考X. WangC. Pan等人发表的综述文章。

新材料在线编译整理——翻译:菠菜     校正:摩天轮

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