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壓阻式傳感器安裝在模型機(jī)器人手的手指上

  一種如同皮膚般的高分子材料正在使用碳納米管給機(jī)器人和假肢裝置帶來(lái)觸摸的感覺。由斯坦福大學(xué)和施樂公司帕洛阿爾托研究中心的研究人員開發(fā)出來(lái)了一種高分子皮膚，這種數(shù)字觸覺系統(tǒng)（DiTact）包含了加入碳納米管的壓力傳感器和靈活的有機(jī)印制電路，用來(lái)模仿人類的反應(yīng)。

  研究團(tuán)隊(duì)表示他們的目標(biāo)就是制造一種能像人體一樣傳遞信息的傳感器皮膚。這個(gè)目標(biāo)是使裝在假肢上的皮膚能以自然的方式感覺到觸摸，并且將這些信息傳達(dá)給戴著假肢裝置的人。

  在人體內(nèi)，皮膚中的受體如同發(fā)送摩爾斯電碼一樣直接向大腦中傳遞一系列電壓脈沖式的遙感信息。而之所以努力嘗試使人工設(shè)備具備觸覺傳感能力，是為了提高殘障人士對(duì)假肢的控制和減輕他們的幻肢痛。但是到目前為止人工皮膚設(shè)備不得不使用電腦或微處理器來(lái)使傳感器輸出的信號(hào)與神經(jīng)元兼容。

  與此相反，最新的研究成果是使系統(tǒng)結(jié)合了帶有嵌入式壓阻壓力傳感器的柔性電路層。傳感器是由碳納米管復(fù)合分散在一個(gè)靈活的聚氨酯塑料中并被塑造成金字塔結(jié)構(gòu)。這種金字塔形狀是至關(guān)重要的，因?yàn)樗试S傳感器的感知區(qū)間與皮膚能感受的壓力范圍相匹配。

  該設(shè)備操作簡(jiǎn)單: 傳感器上的壓力擠壓碳納米管使之相互接近，以便電流流過。壓力的變化直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，其中頻率隨強(qiáng)度的刺激而變化，以模仿皮膚中觸覺感受器的行為。

  該團(tuán)隊(duì)表示，當(dāng)將這種裝置放入實(shí)際設(shè)備如假肢或穿戴設(shè)備中時(shí)，傳感器可以檢測(cè)到柔軟的觸感和堅(jiān)定有力的握手之間的區(qū)別。而在使用噴墨打印技術(shù)制造的內(nèi)含可伸縮銀納米線導(dǎo)體的柔性有機(jī)電路層后，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)可以從外部導(dǎo)入。系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)甚至可以如同光信號(hào)和電信號(hào)一樣直接刺激小鼠腦組織神經(jīng)元。


  通常連接大腦的假肢裝置是通過電刺激完成類似的工作的。但是有趣的是，該團(tuán)隊(duì)嘗試了稱為 ”遺傳學(xué)刺激“的技術(shù)，用數(shù)字信號(hào)用來(lái)調(diào)節(jié)LED光源，使之通過光活化的離子通道產(chǎn)生神經(jīng)放電。

  相關(guān)人員表示，新的系統(tǒng)存在一些優(yōu)勢(shì)，其簡(jiǎn)單傳遞信息的方法是大腦細(xì)胞能夠理解的。而由于它是由塑料材料制造的，其成本會(huì)大大降低。而且傳感器對(duì)噪聲不敏感，信息可以被傳遞到很遠(yuǎn)而依然準(zhǔn)確。

  就像真正的皮膚一樣，DiTact也非常高效。根據(jù)研究人員的計(jì)算，他們的系統(tǒng)能夠在相當(dāng)于一個(gè)iPhone電池的電量下工作500天。該小組現(xiàn)在正在努力減少傳感器的尺寸和提高其靈敏度來(lái)改善系統(tǒng)，以便能從簡(jiǎn)單的靜態(tài)壓力中區(qū)分更細(xì)微的移動(dòng)刺激 (例如撫摸) 。

  相關(guān)研究成果發(fā)表在Nano Today上，論文地址：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013215300670