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  近日，濟(jì)南大學(xué)王鵬/河北工大孟垂舟等人在《InfoMat》期刊發(fā)表題為“Biomimetic hydrogel-based sensors with dual-mode dynamic-static tactile sensing capability enabling robotic hand for intelligent material recognition”的研究成果。河北工業(yè)大學(xué)呂鈺為論文第一作者，該研究開發(fā)了一種基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS），通過摩擦電傳感和離子超級(jí)電容傳感的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)材料類型和軟/硬度的智能識(shí)別，準(zhǔn)確率高達(dá)98.5%。

  人類皮膚能夠通過快速適應(yīng)和慢適應(yīng)機(jī)械感受器同時(shí)感知?jiǎng)討B(tài)與靜態(tài)觸覺信號(hào)，而傳統(tǒng)傳感器受限于單一傳感模式，難以實(shí)現(xiàn)類似皮膚的復(fù)雜感知能力。為此，研究團(tuán)隊(duì)受皮膚雙模態(tài)感知機(jī)制啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種集成摩擦電傳感單元和離子超級(jí)電容傳感單元的多層水凝膠傳感器，分別獨(dú)立地模擬皮膚對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)觸覺感知能力。將水凝膠傳感器集成于機(jī)械手表面，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)材料類型和物體軟/硬度的識(shí)別，為機(jī)器人提供了類皮膚的智能觸覺感知能力。

  圖1展示了基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS）的仿生設(shè)計(jì)靈感概念圖，通過分別實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)觸覺感知，模擬人類皮膚的觸覺感知機(jī)制。水凝膠基雙模態(tài)傳感器BHDS由一個(gè)用于動(dòng)態(tài)觸覺檢測(cè)的摩擦電單元和一個(gè)感知靜態(tài)壓力的離子超級(jí)電容單元組成。這種設(shè)計(jì)靈感來源于人類皮膚分別用于感知瞬態(tài)動(dòng)態(tài)輸入（如輕拍或滑動(dòng)）、持續(xù)靜態(tài)刺激（如按壓）的快速適應(yīng)和慢速適應(yīng)的機(jī)械感受器。通過多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，裝備了這種仿生水凝膠雙模態(tài)傳感器的機(jī)械手能夠智能識(shí)別材料類型和物體硬度水平。

圖1基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS）的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)觸覺感知模擬人類皮膚的概念圖。（A）傳感器的接收機(jī)制，類似于人類皮膚。（B）集成雙模態(tài)傳感器的智能機(jī)械手利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人類手部通過神經(jīng)元傳遞系統(tǒng)對(duì)未知目標(biāo)進(jìn)行觸摸探索。（C）雙模態(tài)傳感器BHDS傳感系統(tǒng)與MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)智能觸覺感知。

圖2水凝膠基傳感器各傳感功能層的制備與表征。（A）GPH 間隔層的制備過程示意圖。（B）摩擦層MGPH上表面金字塔形微結(jié)構(gòu)的照片。（C）SEM 和（D）EDS 圖像：顯示 MGPH 上的層狀 MXene 納米片。GPH、MXene 和 MGPH 的（E） XRD 物相分析；（F）拉曼光譜。（G）由 PGGPH 組成的電極層照片。（H）不同水凝膠的電導(dǎo)率對(duì)比：明膠、PVA、GPH 和 PGGPH。（I）GPH 間隔層的照片。（J）不同水凝膠的楊氏模量：明膠、PVA、GPH、MGPH、PGGPH 和 BGPH。（K）離子型 BGPH 層上金字塔形微結(jié)構(gòu)的照片。（L）SEM 圖像和（M）EDS 分析：顯示 BGPH 的微孔結(jié)構(gòu)。

圖3水凝膠傳感器摩擦電傳感單元的傳感機(jī)制與性能表征。單電極式摩擦電傳感單元的（A）工作機(jī)制；（B）COMSOL 原理仿真。水凝膠傳感器摩擦電單元（C）輸出電壓與添加 MXene 含量的關(guān)系；（D）不同表面微結(jié)構(gòu)與（E）不同類型摩擦層的輸出電壓對(duì)比；（F）輸出電壓與有效接觸面積的關(guān)系；（G）響應(yīng)電壓波形隨接觸頻率的變化；（H）輸出電壓與接觸壓力的關(guān)系；（I）輸出電荷密度；（J）輸出電荷量；（K）接觸不同摩擦材料的輸出電壓對(duì)比；（L）5000 秒內(nèi)的輸出電壓穩(wěn)定性探究。

圖4水凝膠傳感器離子型超級(jí)電容單元的傳感機(jī)制與性能表征。水凝膠傳感器離子型超級(jí)電容單元的（A）工作機(jī)制；（B）COMSOL 仿真；（C）基于雙電層（EDL）效應(yīng)的等效電路圖；（D）電容變化靈敏度與BMIM-BF₄含量的關(guān)系；（E）電容變化靈敏度隨表面微結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)；（F）靈敏度曲線；（G）響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間表征；（H）最低檢測(cè)限表征；（I）在逐漸遞增的外力作用下電容響應(yīng)變化；（J）在7 天內(nèi) 5000 秒內(nèi)電容響應(yīng)變化的穩(wěn)定性表征。

圖5水凝膠傳感器BHDS的雙模式動(dòng)/靜態(tài)觸覺感知驗(yàn)證。（A）人類皮膚通過FA 和SA受體實(shí)現(xiàn)自然觸覺傳感機(jī)制的示意圖。（B）水凝膠傳感器BHDS通過摩擦電動(dòng)態(tài)傳感單元和離子型超級(jí)電容靜態(tài)傳感單元模擬生物機(jī)械感受器。（C）集成水凝膠傳感器BDGE的游戲手柄和機(jī)械手照片。水凝膠傳感器的（D）摩擦電傳感單元和（E）離子型超級(jí)電容傳感單元分別在單次點(diǎn)擊和雙擊觸摸動(dòng)作下的輸出信號(hào)展示。（F）集成有水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手對(duì)花瓶循環(huán)執(zhí)行“接近接觸 - 靜態(tài)按壓 - 釋放離開”動(dòng)作時(shí)的摩擦電和離子型超級(jí)電容響應(yīng)。（G）集成水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手對(duì)花瓶循環(huán)執(zhí)行“接近接觸 - 抓取握持 - 釋放離開”動(dòng)作時(shí)的摩擦電和離子型超級(jí)電容響應(yīng)信號(hào)，附實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)拍圖。

圖6集成水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手借助四層MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)材料特性觸覺感知的演示。（A）硬/軟材質(zhì)識(shí)別智能傳感系統(tǒng)的概念示意圖。（B）智能識(shí)別流程示意圖，包括：（ⅰ）信號(hào)生成、（ⅱ）信號(hào)采集、（ⅲ）數(shù)據(jù)集構(gòu)建、（ⅳ）數(shù)據(jù)處理、（ⅴ）實(shí)時(shí)顯示。（C）摩擦電傳感單元和（D）超級(jí)電容傳感單元接觸 8 種不同立方體塊時(shí)的響應(yīng)信號(hào)。八類立方體塊分類結(jié)果的（E）T-SNE 可視化；（F）混淆矩陣。（G）硬質(zhì)PI立方體塊的識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)顯示及對(duì)應(yīng)信號(hào)波形。

  論文信息

  Biomimetic hydrogel-based sensors with dual-mode dynamic-static tactile sensing capability enabling robotic hand for intelligent material property recognition

  Yu Lv, Zhaolei Ma, Jingle Duan, Guifen Sun, Peng Wang*, Sheng Qu, Feng Liu*, Chuizhou Meng*, Xiujuan Lin*, Teng Liu*, Shijie Guo

  DOI: 10.1002/inf2.70041

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/inf2.70041.

作者介紹

王鵬：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教師，校聘青年英才崗，研究方向?yàn)槿嵝詡鞲衅?/span>。以第一作者/通訊作者在本領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外重要期刊Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors 發(fā)表論文37篇（包括19篇中科院一區(qū)Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章）；累計(jì)撰寫、申請(qǐng)發(fā)明專利17項(xiàng)，其中5項(xiàng)已授權(quán)，其余均在實(shí)質(zhì)審查中；擔(dān)任Exploration期刊青年編委；中國(guó)微米納米學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員；受邀擔(dān)任國(guó)際SCI檢索期刊Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Materials Interfaces、Measurement等的審稿人；連續(xù)兩年獲得2021年、2022年博士研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，2022年獲得天津市創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金，2023年獲得河北省優(yōu)秀畢業(yè)生，2018年獲得天津市王克昌文化科技獎(jiǎng)學(xué)金，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)之星，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)三好學(xué)生榮譽(yù)稱號(hào)，連續(xù)兩年獲得2021年、2022年河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院十佳學(xué)術(shù)之星榮譽(yù)稱號(hào)；多次參加學(xué)術(shù)會(huì)議并做分會(huì)場(chǎng)報(bào)告。個(gè)人主頁(yè)：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

孟垂舟：河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯(lián)僑界專家委員會(huì)委員。清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位，曾任職美國(guó)普渡大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士后研究員、美國(guó)IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心高級(jí)工程師、新奧集團(tuán)能源研究院石墨烯/儲(chǔ)能/能源新材料等技術(shù)中心主任。長(zhǎng)期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設(shè)備、和健康護(hù)理裝備上的應(yīng)用開發(fā)。