触觉传感器现在可以模仿我们皮肤对拉伸和扭曲的检测

这项技术可用于提高假肢和机器人的功能

一款可拉伸的触觉传感器，旨在模仿人体皮肤中的结构，不仅可以检测机械力的强度，还可以检测其方向（ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn505953t）。这种传感器可以区分剪切力、拉伸力、弯曲力和扭转力，有望提高假肢和机器人的功能。

韩国蔚山科学技术大学的化学工程师 Hyunhyub Ko 说，人体皮肤是一个绝佳的触觉传感器。它具有弹性且高度灵敏，能够感知从微小昆虫的轻触到重重一击的大动态范围的力。皮肤还可以感知力的方向，从而区分不同类型的力。这种能力帮助我们的大脑做出各种无意识的决定。例如，我们能感觉到物体在手中滑动，从而让我们的指尖调整施加的压力以抓住它。感知拉伸有助于我们跟踪关节的位置和运动。Ko 说，如果触觉传感器能够实现这些功能，这些设备就能提高机器人的协调性和假肢的灵敏度。

为了在人造传感器中获得方向感应，Ko 参考了人体皮肤的结构。我们的皮肤有两层相互锁定的层，外层是表皮，内层是真皮。两层交汇处微米级的突起有助于放大和转换从皮肤表面到真皮神经末梢的机械力。Ko 在他的传感器设计中模仿了这些相互锁定的突起，使用了两层掺有导电碳纳米管的可拉伸聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。他通过将 PDMS 单体和纳米管的混合物倒入模具中，然后固化来制造传感器。每层都有一个 3 微米高、4 微米直径的微圆顶阵列，这些微圆顶与另一层上的突起相互锁定。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

Ko 的团队通过将这种双层材料的小片组合在一起并在其上施加电压来制造传感器。纳米管使 PDMS 具有导电性，电流通过互锁微圆顶之间的接触点。不同类型的力会改变这些层之间的相互作用方式，进而影响电导率。研究人员可以通过传感器电阻随时间变化的模式来检测这些电导率变化。Ko 说：“不同的力——法向力、剪切力、拉伸力或前后弯曲力——会产生不同的电信号模式。”

为了展示可能性，研究人员使用三乘三的传感器阵列进行了测量，展示了他们如何区分不同类型的力。他们还将传感器贴在肘部、腕部和其他身体部位，以表明他们可以监测关节处的不同运动形式。

韩国成均馆大学的化学工程师 Changhyun Pang 也从事触觉传感器研究，他说互锁的圆顶使 Ko 的设备具有检测独特类型力的灵敏度，而不仅仅是弯曲、扭曲和剪切。例如，他说，这些设备可以测量不同强度的气流或振动。