如何高效平衡触觉传感界面的灵敏度

发布时间:2024-06-06  

仿生策略被视为提高触觉传感界面性能的一个重要手段,皮肤中的表皮-真皮互锁结构能够有效地放大触觉刺激并将其转移到皮肤机械感受器,使人体具备优异的压力探测能力,因此目前许多的仿生工作集中在模仿这种互锁结构。一般的仿生策略通常会使触觉传感界面的灵敏度和检测范围存在严重的竞争关系,具有高灵敏度的仿生触觉传感界面通常只能够在有限的压力范围内工作,无法同时满足高精度和宽范围的压力检测。如何高效便捷地平衡触觉传感界面的灵敏度和检测范围来实现精细的压力检测和大范围的压力辨别仍然面临诸多挑战。


近期,厦门大学陈忠/廖新勤团队提出了一种新颖的跨尺度设计策略来解决这个挑战。研究团队采用甲基纤维素和碳纳米管进行复合,实现甲基纤维素良好的成膜特性和碳纳米管优异导电特性互补,提高了敏感材料的机械强度,并使其能完美地贴附在微米级的起伏表面上形成牢固导电网络。在微米尺度上,研究团队通过剥离转印技术,复刻了模板表面随机分布的微结构以模仿皮肤的表皮-真皮互锁结构,用于提高触觉传感界面灵敏度和检测范围。在毫米尺度上,研究团队采用拱形分层的组装,重构了触觉传感界面的机械形变过程,优化了接触面积的步长,能够同时实现灵敏度和检测范围的进一步提升。这种跨尺度设计实现了敏感材料与传感结构间的相互协同,巧妙地解决触觉传感界面灵敏度和检测范围存在的此长彼消问题。


该工作以“Programmable and Ultrasensitive Haptic Interfaces Enabling Closed-Loop Human–Machine Interactions”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。文章第一作者为博士生林万胜,通讯作者为陈忠教授和廖新勤副教授。研究工作得到了国家自然科学基金、福厦泉国家自主创新示范区合作项目、福建省自然科学基金和中央高校基本科研业务费等资助。

剥离转印技术在可穿戴电子制备中被普遍应用,是实现将敏感材料转移到柔性基板的一个重要手段。在这项工作中,研究团队通过改变甲基纤维素粘性调控复合导电薄膜和砂纸基板的黏附性,使其低于PDMS对复合材料的粘性,确保能够完整的复刻砂纸形貌并不破坏敏感层的功能性。

d923a9fa-3719-11ee-9e74-dac502259ad0.png

图1 跨尺度仿生触觉传感界面的制备和表征

跨尺度仿生触觉传感界面的压力探测范围为180 kPa,探测极限为8 Pa(远小于人体皮肤100 Pa)。响应时间和恢复时间分别是5 ms和8 ms(小于人体30 ms),这种快速的压力响应能力与人工智能物联网时代要求的低延时需求相匹配。  d9dd5c56-3719-11ee-9e74-dac502259ad0.png

图2 跨尺度仿生触觉传感界面的机电性能  

研究团队通过有限元分析手段探究了其中的机理。结果表明,双拱结构的机械变形和棘突微结构能够在较小压力下极大的减少初始结束,并在大的压力下能够提供更多的结构支撑和导电路径。跨尺度结构间相互协同,促进灵敏度和检测范围性能提升。

da4f85f6-3719-11ee-9e74-dac502259ad0.png

图3 跨尺度仿生触觉传感界面的传感机制研究  

数据手套作为跨尺度仿生触觉界面的重要集成载体,对提升综合交互能力具有重要意义。研究团队开发了基于压力数据交互手套的VR娱乐交互和小车控制。数据手套可以利用触觉界面的优异压力辨别能力实现个性化多功能的人机交互,避免传统按键手柄的冗余设计,丰富了交互场景。并且其在使用方式上符合大脑逻辑,能够实现沉浸式交互,这对虚拟现实领域是及其重要的。另外,用户仅凭借指尖感知就能操作数据手套,可以实现了全天候不受限的人机交互,即使在黑暗中也能进行自由操控。

da7e0bc4-3719-11ee-9e74-dac502259ad0.png

图4 基于无线压力数据手套的人机交互应用开发


文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>