模仿生物體的各類生物感受器是開發(fā)智能傳感器的重要途徑之一。例如，受人體皮膚機(jī)械感受器的啟發(fā)，人工電子皮膚可實(shí)現(xiàn)對外界接觸、按壓、滑移等機(jī)械刺激的感知。但觸覺傳感器只能在物理接觸時(shí)才具有感知功能，不能對外界非接觸信號響應(yīng)。
圖1. 仿生軟體電感受器。(A)分布在鯊魚頭部用于感知環(huán)境的電感應(yīng)系統(tǒng)示意圖。(B)鯊魚電感受器的結(jié)構(gòu)、(C)感知機(jī)制。(D)集成在機(jī)器人手指上用于目標(biāo)感知的仿生人工電感受器的示意圖。(E)人工電感受器的結(jié)構(gòu)、(F)感知機(jī)制。
中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、蒲雄研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種仿生軟體電感受器，可實(shí)現(xiàn)對外界物體的距離傳感、三維輪廓識別、及非接觸人機(jī)交互。一些海洋生物，例如鯊魚或鰩魚等，可以利用分布于皮膚上的一種名為電感受器的器官來感受弱電場，從而在黑暗的深海感知獵物或障礙物的距離、形狀等信息，實(shí)現(xiàn)類比于“皮膚視覺”的功能（圖1A-C）。研究團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，構(gòu)建了一種基于軟體聚合物材料的人工電感受器，其主要由可拉伸的駐極體層，有機(jī)水凝膠電極和PDMS封裝層組成。當(dāng)有帶有電荷的外部物體或不帶電的導(dǎo)體靠近人工電感受器時(shí)，由于靜電感應(yīng)效應(yīng)，可在外電路負(fù)載上產(chǎn)生電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)對靠近物體的感知（圖1D-F）。基于該人工電感受器，示意了距離預(yù)警機(jī)器人、非接觸人機(jī)交互等應(yīng)用示范（圖2）。進(jìn)一步地，借助于深度學(xué)習(xí)算法，驗(yàn)證了電感受器陣列用于識別物體三維輪廓的可行性（圖3）。相比于電磁、激光、超聲等距離傳感器，該人工電感受器具有柔軟可拉伸的優(yōu)勢，并且在距離越近時(shí)響應(yīng)更高。這種新型的人工電感受器在可穿戴電子、軟體機(jī)器人、智能義肢等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。該工作以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”為題發(fā)表于《Science Advances》（Science Advances 2022, 8, eabo5201）。論文第一作者為北京納米能源與系統(tǒng)研究所博士生郭子豪。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的支持。
圖2. 基于電感受器的非接觸式人機(jī)交互界面。(A)電感受器對外部目標(biāo)接近的實(shí)時(shí)輸出響應(yīng)。(B)基于電感受器的距離感知的虛擬距離報(bào)警機(jī)器人。(C)基于電感受器的智能機(jī)器人系統(tǒng)的場景設(shè)想。(D、E)當(dāng)一個(gè)人靠近時(shí)，集成有電感受器的機(jī)械手臂與人揮手和握手。(F)基于四個(gè)電感受器單元的非接觸柔性鍵盤示意圖。(G)非接觸鍵盤控制游戲人物的移動(dòng)。(H)在COVID-19大流行期間，非接觸鍵盤應(yīng)用于防止病毒傳播的設(shè)想。
圖3. 基于電感受器陣列的仿生非接觸體感系統(tǒng)。(A)分布在鯊魚頭部的電感受器網(wǎng)絡(luò)。(B)3 × 3電感受器陣列的照片。3 × 3電感受器矩陣識別一個(gè)金屬球輪廓的 (C)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和(D)模擬結(jié)果。(E) (F)不同W/L比的電感受器陣列(W/L分別為2/7和1/1)的識別結(jié)果比較。(G) 5 × 5電感受器矩陣的結(jié)構(gòu)和金屬球靠近時(shí)的電壓分布，W/L之比= 5/6。(H)基于21 × 21的電感受器陣列和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的物體三維輪廓識別體感系統(tǒng)。
該工作是團(tuán)隊(duì)近期在軟體離子電子器件領(lǐng)域的最新進(jìn)展之一。軟體的離子電子器件利用離子導(dǎo)體電極代替電子導(dǎo)體電極，可實(shí)現(xiàn)本征低模量、高彈性的電子器件。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于水凝膠電極的可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高彈性的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器件（Sci. Adv. 2017, 3, e1700015）；并進(jìn)一步報(bào)道了基于水凝膠-介電聚合物界面動(dòng)態(tài)雙電層的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制（ACS Nano 2021, 15, 19651）；開發(fā)了水凝膠纖維的干濕法紡絲制備方法，實(shí)現(xiàn)了凝膠纖維基離子電子器件（Nano Energy 2020, 78, 105389）。針對凝膠電極存在溶劑易揮發(fā)、擠壓漏夜等問題，設(shè)計(jì)制備了一種動(dòng)態(tài)交聯(lián)的固態(tài)離子導(dǎo)體，獲得了優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和高的離子電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境穩(wěn)定的離子皮膚和電致發(fā)光器件（Adv. Mater. 2021, 33, 2101396）。
原文鏈接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abo5201
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