电子皮肤首次实现感知和预测来自不同方向的触摸

近日，一个研究团队在使用集成人工毛发开发敏感电子皮肤（e-skin）方面迈出了重要一步。电子皮肤是一种灵活的电子系统，它试图模仿人类天然皮肤的敏感度。应用范围覆盖皮肤置换、身体上的医疗传感器到类人机器人和人形机器人的皮肤。微小的毛发表面可以感知和预测人类皮肤上最轻微的触觉，甚至可以识别触摸的方向。现代电子皮肤系统缺乏这种能力，无法收集在其附近的关键信息。

由Oliver G.Schmidt教授领导的这一研究团队，已经探索了一种新的途径来开发高敏感度和方向相关的3D磁场传感器，该传感器可以集成到电子皮肤系统（有源矩阵）中。该团队采用了一种全新的方法来实现3D设备阵列的小型化和可集成性，并朝着模仿人类皮肤的自然触感迈出了重要一步。

Schmidt教授研究小组的博士生Christian Becker表示：“我们的方法允许功能传感器元件在三维空间中进行精确的空间排列，这些元件可以在制造过程中同时进行量产。这种传感器系统极难通过现存的微电子制造方法生产。”

该研究团队提出的传感器系统的核心是所谓的各向异性磁电阻（AMR）传感器。AMR传感器可用于精确确定磁场的变化。例如，AMR传感器目前被用作汽车中的速度传感器，或用于确定各种机器中运动部件的位置和角度。

为了开发非常紧凑的传感器系统，研究人员利用了所谓的“微型折纸工艺”。该工艺用于将AMR传感器元件折叠成三维结构，从而在三维空间中解析磁场矢量场。微折纸技术可以将大量微电子元件放入小空间中，并以任何传统微加工技术都无法实现的几何结构进行排列。Oliver G. Schmidt教授表示：“微折纸工艺是在20多年前发展起来的，很高兴看到这项优雅技术具备的全部潜力，而且还可以被开发用于新的微电子应用中。”

该研究团队将3D微型折纸磁传感器阵列集成到单个有源矩阵中，每个传感器都可以通过微电子电路方便地寻址和读取。“将有源矩阵磁传感器与自组装微型折纸结构相结合，是实现高分辨率3D传感系统小型化和集成的全新方法，” Daniil Karnaushenko博士说道，他对该项目的概念的设定、设计和实施都做出了决定性贡献。

该研究团队已经成功地将3D磁场传感器与磁性根植的细毛发集成到了一个人工电子皮肤中。电子皮肤由弹性材料制成，电子元件和传感器嵌入其中，类似于与神经交织的有机皮肤。

当毛发被触摸和弯曲时，磁性根的运动和准确位置可以通过下面的3D磁性传感器检测到。因此，传感器矩阵不仅能够记录毛发的运动，还可以确定运动的确切方向。与真实的人类皮肤一样，电子皮肤上的每根毛发都成为了一个完整的传感器单元，可以感知和检测附近的变化。3D磁传感器和磁性发根之间的磁机械耦合实时提供了一种新型的电子皮肤触觉感知系统。当人类和机器人紧密合作时，这种能力非常重要。例如，在预期接触或意外碰撞即将发生之前，机器人可以提前感知到与人类同伴的互动，并提供许多细节。