近年来随着AR/VR，具身智能等领域的蓬勃发展，三维空间中物体的定位和追踪能力对于人机界面和机器人感知显得越来越重要。然而，当前大部分的柔性电子设备只能通过物理接触获得目标二维的空间位置。在本研究中，我们报导了一种由轻薄透明、具有三维传感功能的柔性电子皮肤（E- skin）实现的非接触式位置传感系统。受象鼻鱼主动电感受机制的启发，这种E-skin能够在不接触的情况下定位目标物体的3D位置，并能通过蓝牙实时无线传输定位信息。因此，这种E-skin可以轻松地与各种设备进行交互，例如操作AR/VR中的虚拟物体、控制机械臂和无人机在三维空间中的动作。此外，它还可以轻松的集成到机器人中，为它们提供三维环境感知能力，以便识别周围环境、避开障碍物或追踪目标。
香港城市大学Xinge Yu课题组报道了一种轻薄透明、具有三维传感功能的柔性电子皮肤（E-skin），实现了非接触式位置传感系统。该E-skin利用PDMS和生物凝胶制备的透明可拉伸传感器，能够通过探测目标对空间中电场的扰动来实现精确的空间定位。集成化的位置传感系统能够以低功耗（<80 mW），高速（>200 Hz），高精度（在1 cm处高达5 μm）的方式实时解算并无线发送目标的空间信息。
图1：生物启发的透明电子皮肤。A) 象鼻鱼使用其电器官和电感受器探测猎物。B) 电器官的工作机制。C) 象鼻鱼的两种管状电信感受器，Mormyromast（左）和Knollenorgan（右）。D)机器人使用电子皮肤探测测目标的示意图。E) 发射电极的工作机制。F) 接收电极的工作机制。G) 传感器的光学照片显示了其柔软、轻薄、可拉伸和透明性。H) 搭配4个传感器的e-skin的光学照片。![]()
图2：E-skin的特性。A) e-skin传感器模块的爆炸视图示意图。Rx，接收电极；Tx，发射电极。B) e- skin控制电路模块的爆炸视图示意图。ADC，模数转换器。C) 目标对静电场扰动的仿真模型。D) e- skin等效电路模型。E) 发射电极发出的信号和接收电极收到的信号。F) 手指与传感器不同间隔下CHand和VO的变化曲线图。G) 不同探测距离下传感器的信噪比变化图。H) 需要优化的参数的示意图。不同的电极设计对传感器（I）响应及（J）灵敏度的影响，优化后的电极性能高亮显示。条形高度表示均值；误差棒表示标准差；n = 5个独立样本。K) 不同屏蔽方案和皮肤对传感器性能的影响。L) 在400-1000 nm波长下传感器的透过率图谱。M) 传感器经过8800次折叠与展开后电容的变化，并绘制了100点移动平均曲线以观察整体变化趋势。![]()
图3：非接触的人机交互(HMI)。A）用户在手臂上佩戴e-skin的照片。B) 集成化的e-skin照片及其对应的电极图案（右侧）。C) 使用e-skin进行人机交互的流程图。D) 使用e-skin控制机器人手臂向右移动。E) 使用e-skin操控无人机向上飞行。F) 即使被障碍物覆盖，e-skin也能正常工作。G) 在空中书写“CITYU”五个字母，接收电极上的原始数据及算法计算出的轨迹。![]()
图4：机器感知。A) 电子皮肤用于机器感知的示意图。B) 安装在无人机上的e-skin照片，用于无人机避障。C) 无人机避障原理的示意图。D) 无人机避障实时照片及数据。E) 安装在机械臂上进行物体跟踪的e-skin照片。F) 机械手目标跟踪的工作流程图。G) 执行目标跟踪任务中的机械手照片及其在空间中的3D坐标。![]()
图5：使用机械臂抓取目标的演示。A) 操作员通过观看屏幕上的流媒体视频远程控制机械臂，没有e-skin辅助的情况下，操作员仅依靠视频分析来确定机械臂的位置，需要三次尝试才能成功抓住橘子；B) 在有e-skin辅助的情况下，当操作员按下抓取按钮时，机械臂会自动调整位置，在两个手指中心对齐目标物后才进行抓取过程。C) 通过将红外传感器和e-skin集成到机器人手的指尖上，e-skin作为具有增强摩擦力和感知能力的柔性界面，弥补了红外传感器的不足。右侧显示了在目标移动过程中机器人的手部所采集的红外传感器与e-skin数据。它表明e-skin可以检测周围区域的目标物体，并且近距离内没有盲区，能够实现对目标物位置的高精度检测。这篇研究介绍了一种新型的无线、柔性和透明的电子皮肤（E-skin），灵感来源于 象鼻鱼类的主动感知系统，能够实现非接触式的精确3D运动检测。该E-skin通过发射“雷达信号”，克服了现有传感器的物理接触和集成难题，实现了高时空分辨率的3D运动检测。优化后的材料和设计使其具有5微米的距离分辨率、172%的伸展性以及超过80%的透明度。生物凝胶电极提高了信噪比和伸展性，使得E-skin在穿戴时更加舒适和灵活。尽管还需进一步完善，如实现多指检测，但E-skin在机器人、VR/AR和医疗应用领域展现出广阔的应用前景。
【参考文献】
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54249-3
https://github.com/zjkhurry/3D-sensing-Eskin
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