《AM》上交谷国迎：皮肤离子凝胶机械感受器用于软机器、生理传感和截肢假体

【背景】

触摸感应在机器人抓取和机器人辅助假肢的新兴人机界面中发挥着核心作用。尽管软导电聚合物的进步促进了各种压力传感器的产生，但由于其灵敏度有限、压力范围窄以及结构和制造工艺复杂，这些传感器难以用作机器人和假肢的触摸皮肤。

【摘要】

卡内基·梅隆大学 Carmel Majidi 教授 ，与 上海交通大学机械与动力工程学院 谷国迎教授团队 共同将离子水凝胶与市售导电织物相结合，构建一种 高度敏感且坚固的柔软触感皮肤超电容传感 。 通过简单制造方法，制备并具有 高达 1.5 kPa ^-1 的高灵敏度 （比传统平行板电容式传感器高约44倍）、超过四个数量级（约 35 Pa 至 330 kPa)、超高的电容基线、 快速 的响应时间 (≈18 ms) 和良好的重复性 的超电容传感 。离子凝胶皮肤由一系列能够监测各种生理信号和形状检测的皮肤机械感受器组成。 触摸皮肤可以集成在柔软的仿生手中，并在处理精细物体时为工业机器人和截肢者提供强大的触觉反馈，说明其在具有触觉传感的下一代人在回路机器人系统中的潜在应用 。 文章“ Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses ”发表在 《 Adv anced Materials 》 。

【主图导读】

图1，超电容压力传感机器人皮肤的设计与原理。 a）软机器人皮肤系统功能的示意图。b) 传统平行板电容传感器（顶部）和超电容传感器（底部）的传感原理。对于超电容原理，当不施加压力时，水凝胶层和导电织物层之间的接触面积是有限的。电极层上的正负电荷吸引离子水凝胶层中相对较少的阳离子和阴离子。在外部压力下，层间的接触面积显着增加。更多的离子被吸引到界面上，从而大大增加了电容。c）由离子水凝胶、导电织物、VHB弹性体和垫片组成的超电容离子凝胶压力传感皮肤的设计架构。

图4，多重传感阵列的应用。 a) 安装在人类前臂上的一维触控条，可以弹奏钢琴。b) 在旋律播放过程中，触摸条中七个通道的电容（ΔC/C0）的相对变化。c) 4 × 4 像素的 2D 计算器触摸屏。d) 16 个像素的电容分布映射。e) 能够识别测试图案形状的 2D 传感阵列。f) 传感阵列的电容分布映射。

图5，柔软仿生手的超灵敏触摸皮肤。 a,b) 安装在柔软仿生手上的触摸皮肤的实时多通道电容信号，对应于 a) 轻质螺母和 b）羽毛的加载和移除 。 c) 当网球在仿生手上滚动时，机器人皮肤的多通道电容信号。d) 当电容的相应变化超过阈值时，触摸的单个手指或多个手指被编程为弯曲。e) 仿生手固定在工业机器人上的实验装置照片。f) 动态响应过程中触摸皮肤的实时电容信号。

图6，具有触觉离子凝胶机械感受器的人在回路机器人系统。 a) 经桡动脉截肢者的照片，使用柔软的假手与触摸皮肤相结合，与蛋糕等易碎物体相互作用。b）在没有触觉反馈和单级反馈的情况下操作蛋糕时感觉假手的压力响应的比较。c) 连续按压蛋糕时的多级触觉反馈。d) 展示感觉假手区分不同形状物体（成熟番茄、亚急性杨桃和多刺菠萝）的能力。

【总结】

作者提出了一种基于软超电容离子水凝胶的触觉皮肤，能够为可穿戴电子设备和假肢机器人提供压力感应。该 触摸皮肤可实现强大的机器人应用并实现卓越的传感性能——包括高灵敏度和分辨率、快速响应速度和广泛的检测范围。 机器人皮肤可以为工业机器人和经桡动脉截肢者提供实时的感官反馈，有利于灵巧的操作和与外部环境的安全交互。 此外，由于其多功能材料结构，皮肤可以与更有效的触觉反馈方法（如电和振动刺激）相结合。使用超电容离子电子材料作为新型电子皮肤，为下一代人机界面、假肢和其他智 能机器人系统提供了新的可能性。

参考文献： doi.org/10.1002/adma.202102069

经典导读：

1.《PNAS》西安交通大学卢同庆、哈佛大学锁志刚院士：用于伤口闭合的水凝胶-网状复合材料  

2. 《Joule》东华大学武培怡：双网络水凝胶热电池具有非凡的韧性和高功率密度，可实现连续热量收集

3. 《Nature Catalysis》四川大学肖丹/德州大学余桂华:单原子聚吡咯水凝胶!

4. 《Science》下一代可穿戴电子设备！指尖上的创可贴，血糖指数不用愁！

5.《AFM》东华大学叶长怀/朱美芳院士：超强/高电导芳纶纳米纤维/PVA/纳米银水凝胶

6. 《AFM》上交大崔文国，苏州大学顾勇/陈亮：明胶氧化葡聚糖+生物活性玻璃纳米颗粒，一体化协助骨折固定和愈合

7. 《Adv. Mater.》浙江大学陈东/高翔：有吸引力的 Pickering 乳液凝胶

8.《AFM》华中师大朱成周、武汉工程文静：PdBi单原子合金气凝胶用于高效乙醇氧化

9.《AM》长春应化所贺超良、陈学思院士：两性离子水凝胶包MOF胶囊，pH 响应自分解，用于高效口服 Exendin-4 递送

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