仿生策略被視為提高觸覺傳感界面性能的一個重要手段，皮膚中的表皮-真皮互鎖結(jié)構(gòu)能夠有效地放大觸覺刺激并將其轉(zhuǎn)移到皮膚機械感受器，使人體具備優(yōu)異的壓力探測能力，因此目前許多的仿生工作集中在模仿這種互鎖結(jié)構(gòu)。一般的仿生策略通常會使觸覺傳感界面的靈敏度和檢測范圍存在嚴重的競爭關(guān)系，具有高靈敏度的仿生觸覺傳感界面通常只能夠在有限的壓力范圍內(nèi)工作，無法同時滿足高精度和寬范圍的壓力檢測。如何高效便捷地平衡觸覺傳感界面的靈敏度和檢測范圍來實現(xiàn)精細的壓力檢測和大范圍的壓力辨別仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

近期，廈門大學(xué)陳忠/廖新勤團隊提出了一種新穎的跨尺度設(shè)計策略來解決這個挑戰(zhàn)。研究團隊采用甲基纖維素和碳納米管進行復(fù)合，實現(xiàn)甲基纖維素良好的成膜特性和碳納米管優(yōu)異導(dǎo)電特性互補，提高了敏感材料的機械強度，并使其能完美地貼附在微米級的起伏表面上形成牢固導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在微米尺度上，研究團隊通過剝離轉(zhuǎn)印技術(shù)，復(fù)刻了模板表面隨機分布的微結(jié)構(gòu)以模仿皮膚的表皮-真皮互鎖結(jié)構(gòu)，用于提高觸覺傳感界面靈敏度和檢測范圍。在毫米尺度上，研究團隊采用拱形分層的組裝，重構(gòu)了觸覺傳感界面的機械形變過程，優(yōu)化了接觸面積的步長，能夠同時實現(xiàn)靈敏度和檢測范圍的進一步提升。這種跨尺度設(shè)計實現(xiàn)了敏感材料與傳感結(jié)構(gòu)間的相互協(xié)同，巧妙地解決觸覺傳感界面靈敏度和檢測范圍存在的此長彼消問題。

該工作以“Programmable and Ultrasensitive Haptic Interfaces Enabling Closed-Loop Human–Machine Interactions”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。文章第一作者為博士生林萬勝，通訊作者為陳忠教授和廖新勤副教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、福廈泉國家自主創(chuàng)新示范區(qū)合作項目、福建省自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等資助。

剝離轉(zhuǎn)印技術(shù)在可穿戴電子制備中被普遍應(yīng)用，是實現(xiàn)將敏感材料轉(zhuǎn)移到柔性基板的一個重要手段。在這項工作中，研究團隊通過改變甲基纖維素粘性調(diào)控復(fù)合導(dǎo)電薄膜和砂紙基板的黏附性，使其低于PDMS對復(fù)合材料的粘性，確保能夠完整的復(fù)刻砂紙形貌并不破壞敏感層的功能性。

圖1 跨尺度仿生觸覺傳感界面的制備和表征

跨尺度仿生觸覺傳感界面的壓力探測范圍為180 kPa，探測極限為8 Pa（遠小于人體皮膚100 Pa）。響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別是5 ms和8 ms（小于人體30 ms），這種快速的壓力響應(yīng)能力與人工智能物聯(lián)網(wǎng)時代要求的低延時需求相匹配。 ? 圖2 跨尺度仿生觸覺傳感界面的機電性能 ?

研究團隊通過有限元分析手段探究了其中的機理。結(jié)果表明，雙拱結(jié)構(gòu)的機械變形和棘突微結(jié)構(gòu)能夠在較小壓力下極大的減少初始結(jié)束，并在大的壓力下能夠提供更多的結(jié)構(gòu)支撐和導(dǎo)電路徑?？绯叨冉Y(jié)構(gòu)間相互協(xié)同，促進靈敏度和檢測范圍性能提升。

圖3 跨尺度仿生觸覺傳感界面的傳感機制研究 ?

數(shù)據(jù)手套作為跨尺度仿生觸覺界面的重要集成載體，對提升綜合交互能力具有重要意義。研究團隊開發(fā)了基于壓力數(shù)據(jù)交互手套的VR娛樂交互和小車控制。數(shù)據(jù)手套可以利用觸覺界面的優(yōu)異壓力辨別能力實現(xiàn)個性化多功能的人機交互，避免傳統(tǒng)按鍵手柄的冗余設(shè)計，豐富了交互場景。并且其在使用方式上符合大腦邏輯，能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸式交互，這對虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域是及其重要的。另外，用戶僅憑借指尖感知就能操作數(shù)據(jù)手套，可以實現(xiàn)了全天候不受限的人機交互，即使在黑暗中也能進行自由操控。

圖4 基于無線壓力數(shù)據(jù)手套的人機交互應(yīng)用開發(fā)

編輯：黃飛

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