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能力。一個被稱為 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。現(xiàn)在，科學家們創(chuàng)造了一個受大自然原始設計的啟發(fā)的人工傳感器系統(tǒng)。有朝一日，這項開發(fā)可能會在機器人和智能假肢中找到用武之地，以便在不依賴機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行 3D 運動定位的新策略，其生物靈感來自'電魚'，”香港城市大學生物醫(yī)學工程系副教授 Xinge Yu 說。該團隊在 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，而不管其電導率如何。

傳感器的一層充當發(fā)射器，產(chǎn)生超出設備表面的電場。另一層充當接收器，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)學應用的硅基聚合物。生物凝膠層從其表面的微通道模式接收電信號。最終結(jié)果是一個薄、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)需要適應不規(guī)則表面（如人體）的廣泛應用。

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

為了正常工作，傳感器還需要一個通過銀線或銅線連接的單獨控制器組件。控制器提供多種功能。它創(chuàng)建用于激活傳輸層的驅(qū)動信號。它還使用 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器從接收層收集信號。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，在那里它計算目標物體的位置，并通過低功耗藍牙發(fā)射器將該信息發(fā)送到智能手機或其他設備。（而不是將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設備進行計算，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 毫米的物體時效果最佳。小于 4 mm 的物體可能無法準確檢測，并且感應大于 8 mm 的物體的響應時間可能會顯著增加。目前，這可能將系統(tǒng)的實際用途限制在跟蹤人機界面的手指運動等方面。需要未來的發(fā)展來探測更大的目標。

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)人或其他設備的電磁干擾會降低精度。

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，包括用于人機界面和輕薄柔性電子皮膚的設備。