哈尔滨工业大学Yanju Liu、Liwu Liu课题组提出了一种创新的基于机械超材料(MM)的自供电电子皮肤(e-skin),它集成了多模态融合感知能力和形状记忆可重构性。该e-skin通过引入MM骨架和钙钛矿基弹性传感器,不仅实现了仿生非线性力学行为和高度保形变形能力,还能精确采集生理运动、听觉、触觉及接触前距离信号。其自供电和无线信息交互功能进一步提升了便携性和长期可用性,使其在实时人体运动监测、声音信号识别、目标定位和体感游戏等领域展现出广阔应用前景。此外,通过调整MM的拓扑结构和几何参数,该e-skin的机械性能可灵活适应不同需求,为软机器人、可穿戴设备及跨模态感知系统提供了强有力的技术支撑。
3.非线性和可重构机械行为
MM因其独特的人工结构与拓扑布局,展现出远超其构成材料的单轴拉伸应变能力。直韧带MM的延展性源自节点旋转,而马蹄形MM则通过韧带弯曲显著提升可拉伸性。文章通过单轴拉伸实验与有限元分析(FEA),深入探讨了几何参数(R/L、θ、η)对MM力学行为的影响。结果显示,MM能呈现广泛的负泊松比(-0.05至-1.08)及高达71%的应变范围,性能可通过调整关键参数灵活定制。
对于hexa-MM,横向应变λtr随θ增加而增,随R/D减而减;v最小值亦随θ增而减,随R/D增而增。tetra-MM则呈现类似趋势,但具体参数影响略有差异。重要的是,马蹄韧带设计使MM的可拉伸性、生长性能及柔韧性显著提升,伸长率较直韧带结构增加约17-22%。
FEA模拟进一步证实,马蹄韧带有效增强了e-skin在拉伸载荷下的吸徙效应,拓宽了泊松比范围。其卓越的生长性能尤其在大应变下显著,变形以韧带弯曲为主,呈现独特的力学响应曲线。此外,该MM设计不仅能模拟生物组织的非线性力学行为,还具备电驱动形状记忆功能,实现生物组织力学特性的灵活转换,如模拟晶状体囊到皮肤的力学变化。
图3:MM 骨架的力学性能和逆向设计策略
4. e-Skin 的输出特性
文章详细探讨了MM e-skin的多模态传感能力,包括接触前电输出、压电性能及面内应变响应。通过不同颗粒含量的压电薄膜制备驻极体,实现了对近端目标的灵敏感知,验证了灵敏度和输出电压随表面电荷密度增加而增强的特性。实验结果显示,该e-skin能有效识别目标在5-60mm范围内的距离变化,展现了其在近端传感领域的潜力。
在压电性能方面,e-skin展现了优异的输出特性,输出电压随压力增加呈线性增长,且短路电流响应迅速。对于面内应变,MM骨架的引入显著提升了e-skin的应变敏感性和测量范围,马蹄韧带设计更是将GF值提升至直韧带的20倍,显示出极高的灵敏度。此外,e-skin在多次循环加载下表现出卓越的耐久性和快速响应能力,验证了其在动态环境下的可靠性。
图4:用于多模态传感的 e-skin 特性
5.e-Skin 的多模态传感
文章最后展示了自供电e-skin在多模态传感领域的广泛应用潜力。该e-skin通过环境能量采集实现自给自足,结合微控制器实现无线监控与数据传输,极大提升了设备的长期可用性、便捷性和便携性。实验演示了其在声音识别、人体运动监测、近场目标定位及体感游戏等多样化场景中的应用效能。通过实时监测手指、手腕、肘部及膝盖的关节运动,验证了e-skin对细微动作的精确捕捉能力。同时,其音节检测功能成功识别了不同音节的发音,展现了高灵敏度振动传感特性。此外,利用接触前传感技术,开发了实时近场距离传感系统,实现对带电目标的精确测距,并成功应用于非接触式游戏控制,如“愤怒的小鸟”,展现了e-skin在人机交互领域的创新应用。
图5
读后感
【参考文献】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202406789