研究背景
能够感知触觉的皮肤能够提供自然且直观的交互体验。然而,现有的人工皮肤设计在多功能性和可持续性之间存在取舍。在进化生物学中,生物组织的功能是由基因组成和环境共同决定的。相应的,材料属性则源于基元组成和序构方式。因此,材料特性的调节可以通过类遗传学的方法进行描述和实现。通过模仿这一原理,人工智能系统可以像乐高积木一样灵活地重新配置组件。水凝胶灵活的键合作用允许其重新排列聚集状态,可以实现力学模量、粒子运动性和表面活性的变化。利用这种可调性,配置软物质的最佳制备参数有助于建立具有异质性能的均质体系。
成果简介
近日,北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士和厦门大学电子科学与技术学院廖新勤、陈忠等人从生物进化中的基因表达原理中汲取灵感,开发了一种由同质单元构成的可变机器人皮肤。该人工皮肤通过可逆材料的诱导分化与热水解回收,可以周期性地调整其固有特性,类似于生物体中的基因表达。
亮点介绍
1、交联-渗透复合凝胶网络解决了一般可回收网络无法兼顾高机械强度和可回收便利性的难题;
2、基于水凝胶的机器人皮肤具有状态可复原、性质可继承和功能可分化的三个特点,建立了生物组织基因表达与人工系统智能制造之间的联系。
3、结合重建算法,机器人皮肤实现了大面积、全区域的高精度位置和压力感知。
图文解析
图1 可变机器皮肤的设计概念图
本文提出一种具有可变特性的水凝胶基元,其再热聚合和冷冻聚合等不同诱导条件下展现特异的功能属性,可分别作为仿生机器人皮肤的触摸定位功能层和压力感知功能层(图1a)。与传统的功能单一的传感方案不同,这种设计允许源于组分的均质材料基元仅通过诱导条件变化从而激活多种触摸感知功能,比如位置、压力和动态触觉等。这种可变性显著提升了系统的多功能性和可持续性,降低了材料复杂性,并通过同质化结构的重新构建,实现了不同功能单元的定制化组合(图1e-f)。
图2 快速溶解和高强度的交联渗透复合水凝胶
作者提出的交联-渗透复合水凝胶网络能够兼顾高机械强度和高效回收的双重优势(图2a)。羧基化纤维素纳米纤维形成的物理渗透网络可以在本征氢键网络内形成第二网络,提高整体的机械强度(图2e),而且可以体系离子电导率;而且,羧基化纤维素表面的羟基基团可作为占位键,抑制PVA本征网络的硬化,获得低热水解温度(图2f-g)。通过表征复用前后水凝胶的红外性质,机械强度和电导率,以及不同诱导条件性细化性质的差异,验证了该水凝胶基元的状态可复原、性质可继承和功能可分化的三个特点,建立了生物组织基因表达与人工系统智能制造之间的联系(图i-k)。
图3 触觉定位层的设计与特性。
基于功能导向的设计思路,该系统将水凝胶网络分化为两层功能传感层:触摸定位层(TP层)和压力感知层(PS层)。其中,TP层采用热诱导聚合水凝胶制备,具有高强度、高稳定性和低电信号漂移特性,因此更加适用于机器人皮肤的触摸定位模块。图3a-c 展示了通过四电极结构和位置校准算法,该系统实现了大面积高精度触摸定位,即便在复杂的触摸环境下也能确保全区域检测。实验结果表明,TP层具有超快响应速度(<10ms),并且均方误差(RMS误差)低于3%(图3d-ii),体现了该系统在触摸定位和数据校正上的高效性。值得注意的是,超分辨率算法的引入有效提升了空间精度,使定位误差进一步减少,支持更精细的手写识别应用(图3d-ii)。图3e显示了该系统的坐标映射能力,能够将10×10 cm²的触摸区域精确映射为300×300像素的空间点阵。
在功能检测环节中,系统不仅能够实现手写识别,还可以通过结合CNN(卷积神经网络)模型对触摸模式进行分类识别(图3f)。研究团队采用不同用户的数据进行手写输入识别,模型的分类准确率在三位用户间保持在88%到95%(图3i),表明该系统的普适性与鲁棒性。此外,图3j-k 证明了该系统在回收再制造后的信号和功能依然保持出色性能。信号的再生与原始信号基本一致,并且在精准度和一致性上也维持了高水平。这种可回收、可复用的特性为未来在绿色制造和可持续发展领域的应用开辟了新的可能性。
图4 压力感应层的设计与特性。
作者展示了冷冻诱导聚合水凝胶作为压力传感层(PS层)的设计机制,以及其在不同压力下的响应性能(图4a-b)。冷冻诱导聚合水凝胶具有相较于热诱导凝胶更高的离子导电率,能够显著提升压力感知的信号质量,并通过柔软的特性与皮肤组织贴合,为用户提供更加自然、舒适的触感体验。结合半球形微结构设计,大幅提高了设备的压力感应灵敏度和响应效率(图4c-d)。通过循环测试,传感层表现出出色的耐用性和稳定性,随着测试次数的增加,信号输出也保持了较高的稳定性(图4e)。除了静态压力感知外,该系统还能通过分析触觉动作的频率与强度,识别和区分多种动态触觉模式,如轻拍、挠痒、滑动和打击等(图4f-g)。轻触和重触会产生不同的变形程度,反映在信号强度和频率的变化上(图4f-g)。
图5 触觉互动系统的应用场景
作者验证了两种功能层协同工作能力。可变机器人皮肤能够通过捕获多种触摸模式的触觉信息(如拍打、抚摸等),并基于这些触觉信号驱动机器人做出相应的动作(图5a-d)。传感模式集成实现融合触觉信息的高效识别,可用于基于触摸压力与位置的人机触觉交互。该系统仅需五个数据通道就可以传输全面积内的触摸位置和压力信息,通过结合位置信号与压力信号的多模态分析,显著提升了对复杂触觉运动的识别精度(高达97.25%)(图5e-j)。
总结展望
这项工作提出了一种可改变的机器人皮肤,其中传感单元具有高度的自由度,可以重新排列特征图案并按需更新传感机制,从而实现卓越的功能可扩展性和可持续性。作者提供了一种可持续的方法,并解决了传统制造工艺中材料筛选和组件兼容性问题。交联-渗透复合水凝胶的属性广泛可调性为机器人皮肤的触摸定位层和压力传感层带来了高指向性的功能增强,可用于超分辨率坐标映射、高精度手写交互和高效的触摸模式分类。传感单元允许独立响应单个传感模式而不受干扰,因此可变机器人皮肤在通过多维触摸差分理解交互意义方面达到97.25%的准确性。这些特性有助于改善基于触觉感知的多样化交互体验,在双向HRI、仿生假肢和多模态控制系统中显示出巨大的潜力。
作者简介
张跃,中国科学院院士、发展中国家科学院院士。现任新金属材料国家重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长。教育部科技委国防学部常务副主任和材料学部副主任;中国体视学学会理事长、中国金属学会常务理事;National Science Open创刊主编、Fundamental Research副主编、Nanoscale 和Nanoscale Advances主编。
廖新勤,厦门大学电子科学系副教授,特任研究员、博士生导师,福建省高层次境外引进人才、厦门市高层次留学人员、厦门大学南强青年拔尖人才、IEEE/中国微米纳米技术学会/中国材料研究学会/中国机械工程学会/中国仪器仪表学会高级会员。一直围绕功能复合材料与柔性传感器开展研究,致力于将新型功能材料、敏感元件及器件设计与国家战略性新兴智能产业需求相结合,研制出多种新型高性能传感器,促进柔性传感器从单功能到多功能集成化发展,发表相关研究成果的SCI论文50余篇,获授权发明专利7项。
陈忠,教授,博士生导师,厦门大学电子科学与技术学院(国家示范性微电子学院)院长,闽江学者特聘教授。从事生物医学电子学和半导体光电研究。中国物理学会理事,中国波谱学专业委员会副主任委员;厦门大学国家集成电路产教融合创新平台执行主任,福建省等离子和磁共振研究重点实验室主任、福建省半导体照明工程技术研究中心主任、福建省半导体照明与显示行业开发基地主任;已主持国家863计划、重点研发计划、科技支撑计划、自然科学基金重点和科学仪器课题等30多项;发表500余篇SCI收录学术论文;现任Journal of Magnetic Resonance, Journal of Chemical Physics, Magnetic Resonance in Chemistry等多个刊物编委,Magnetic Resonance Letters和《波谱学杂志》副主编。
论文信息:
Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation
Shifan Yu, Yijing Xu, Zhicheng Cao, Zijian Huang, Huasen Wang, Zechen Yan, Chao Wei, Ziquan Guo, Zhong Chen*, Yuanjin Zheng, Qingliang Liao, Xinqin Liao*, Yue Zhang*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202416984
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Advanced
Functional
Materials
期刊简介
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