柔性多感知传感器在电子皮肤领域的创新性应用

柔性多感知传感器在机器人领域的应用意义重大,工业机器人、智能护理机器人、智能假肢等均为重要的应用方面。

  电子皮肤是目前非常热门的前沿技术领域之一。简单说,电子皮肤模仿人类皮肤的功能与机械特性,由轻薄、可弯曲、可拉伸、有弹性的材料制成,是传感器技术、微机电技术、新材料技术等多项技术交叉融合的成果。

柔性多感知传感器在电子皮肤领域的创新性应用

  电子皮肤可非常便捷地贴合于人体皮肤表面,感知人体生理信号例如血氧浓度、血液中的酒精浓度等,以及外界环境刺激例如压力、温度等,以实现人工的触觉感知功能。如今,电子皮肤已经广泛应用于医疗、机器人、人造假肢、可穿戴技术等多个领域。

  日前,清华大学精密仪器与机械学系仪器科学与技术研究所所长朱荣研究的“柔性多感知传感器”则代表了电子皮肤发展的另一个方向。

  人类对外界的体验能力来自于视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉,感知给人类带来了丰富的信息。更重要的是,感知给人类带来了探寻、认识和改造世界的能力。朱荣表示,应用于机器人的柔性感知智能电子赋予了机器类人智能感知能力。电子皮肤具有高度集成的多位感知、柔性、轻薄、大面积、生物兼容等特征,可应用于智能假肢、机器“人”、健康监护、人机交互等领域。朱荣介绍道,多功能电子皮肤的集成方法包括直接集成多种不同工作原理的传感器和利用材料的多物理量敏感特性集成。前者优点为测量精度高、耦合小,但也存在结构工艺复杂、难以大面积扩展的缺点;后者结构工艺简单,易制备,但信号调理难度大,易存在耦合。

  朱荣分享了一种借鉴人类皮肤丰富的多维感知功能的设计思路,“压力造成功能膜导热系数变化,引起传导换热的差异,利用功能材料压热效应的压力测量原理,实现多种功能兼顾简单工艺”。基于热感应的多参数传感机制,触感、物感、温感、风感形成热膜传感器。

  朱荣表示,热膜传感器是一种利用热敏材料感测自身和外界温度的器件,广泛应用于温度和风速测量,结构简单,易于制备,可以制备在柔性基地上构成柔性传感器。为什么使用热膜传感器?这缘于其毫米级的外观尺寸、微米级的传感结构、纳米级膜厚的敏感元件。

  热膜传感器可用于微型飞行器,其中,微型流场传感阵列与微型飞行器的气动飞行控制结合,形成良好的抗风性和稳定性。另外,在水下载体表面剪应力测量方面,微型热膜流场传感器具有高灵敏度和极小的检测下限,可检测低压的剪应力、防水、柔性,可贴附于载体表面实现非侵入式检测。

  此外,朱荣表示,柔性多感知传感器在机器人领域的应用意义重大,工业机器人、智能护理机器人、智能假肢等均为重要的应用方面。

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