【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，集成電路學(xué)院李陽教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表了題為“A labor-division cooperation electronic palm system for high-precision crosstalk-free cognition of pressure and temperature”的文章。集成電路學(xué)院李浩為第一作者，李陽教授為通訊作者。
 

圖1 新型仿生電子手掌系統(tǒng)示意圖，集成壓力-溫度BDB電子皮膚
 

　　近年來，隨著智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備與人機(jī)交互技術(shù)的迅速發(fā)展，能夠像人類手部一樣精準(zhǔn)感知外界環(huán)境的電子皮膚(e-skin)成為研究熱點(diǎn)。人手之所以具備卓越的觸覺能力，源于皮膚內(nèi)部多類型、分工明確的感受器——如由梅克爾細(xì)胞和帕西尼氏小體實(shí)現(xiàn)壓力感知，由冷熱感受器實(shí)現(xiàn)溫度感知。這些感受器在有限空間內(nèi)卻互不干擾，并通過獨(dú)立的神經(jīng)通路將不同信號(hào)精準(zhǔn)傳遞至大腦，構(gòu)成高效而清晰的“分工式”觸覺體系。
 

　　研究構(gòu)建了一種用于溫度與壓力雙模態(tài)解耦感知的仿生電子手掌系統(tǒng)(BEPS)，由16組雙模態(tài)解耦仿生(BDB)電子皮膚陣列組成。BDB電子皮膚通過雙層柔性印刷電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力感知單元的高度集成式垂直層疊結(jié)構(gòu)。其中，壓力感知單元采用3D打印技術(shù)制備的均勻?qū)訝钗㈠F結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的離電壓力感知；溫度感知單元?jiǎng)t使用具有海膽狀結(jié)構(gòu)的 PANI@PS 微納顆粒作為溫敏材料，并通過原位光聚合技術(shù)使溫度敏層的熱阻電極與溫敏材料緊密接觸，確保在溫度測量過程中接觸電阻不受壓力變化影響。此外，基于器件整體特性建立了通用解耦模型，實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力雙模態(tài)信號(hào)的無干擾解耦算法。在壓力小于30kPa的范圍內(nèi)，BDB電子皮膚表現(xiàn)出線性靈敏度(30.99 kPa-1)；在室溫至80℃的溫度范圍內(nèi)，溫度感知表現(xiàn)出超高靈敏度(0.29 K-1)。相比單一器件結(jié)構(gòu)和平面集成架構(gòu)，所采用的垂直堆疊層狀結(jié)構(gòu)在靈敏度、信號(hào)獲取便利性、解耦能力及抗干擾性方面展現(xiàn)出更均衡的性能，并相較平面器件具有更優(yōu)異的集成度。同時(shí)，為驗(yàn)證系統(tǒng)的無干擾溫度感知能力，利用決策樹算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)杯中水溫與水位的實(shí)時(shí)識(shí)別?；跓o干擾壓力感知能力，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)對(duì)系統(tǒng)中機(jī)器人手抓取物體的硬度與形狀進(jìn)行識(shí)別。此外，系統(tǒng)還基于同步的溫度與壓力無干擾感知，實(shí)現(xiàn)了仿生手的收縮響應(yīng)反饋控制。
 

　　上述研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者等項(xiàng)目的資助。