基于电阻抗层析成像技术的超薄耐用可穿戴软电子皮肤

MEMS 2024-09-28 00:01

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研究背景

用于触觉界面的可穿戴电子皮肤（e-skin）在现代人机界面（HMI）应用中至关重要，例如医疗、电子皮肤和机器人领域。这些界面通过将各种物理刺激转化为实时反馈的数字格式来模拟人体触感，从而增强用户在各种人机界面应用中的沉浸感和控制力。

随着人机界面应用的发展，实现高时空映射质量和可靠性变得至关重要。为了满足这些要求，许多触觉传感器都采用横杆阵列结构设计，用互连线连接每个传感器单元。然而，阵列结构中的互连线带来了两个关键缺陷。首先，绘图的空间分辨率与互连线的数量密切相关，因此要获得高分辨率，就必须增加互连线的数量。互连数量的增加会导致一些潜在问题，如电气噪声增大、传感器单元之间更容易产生干扰以及串扰效应。其次，在考虑触觉传感器应用时，互连不可避免地会受到外力作用和随后的机械变形，如压缩、弯曲甚至拉伸。这种物理变形会导致信噪比（SNR）低下。此外，阵列结构中的单个互连断裂可能会导致一行或一列失效。

为了应对这些固有的挑战，研究人员重点开发了基于软材料和计算方法的触觉界面。这种方法利用了机械的柔软性，减少了互连的数量，同时又能保持足够的映射能力因此对可穿戴触觉映射应用非常有利。然而，这些接口往往缺乏多点触控等功能，或因外部元件体积庞大而难以实现无缝集成。

在各种用于间接触觉测量的计算方法中，电阻抗层析成像(EIT)以其无互连传感区域、多点检测和损伤鲁棒性等优势脱颖而出。然而，与其他计算方法一样，电阻抗层析成像法的精确重建需要稳定的电接触和导电传感区域的均匀性。由于这些原因传统的 EIT 触觉测绘系统通常设计得比较笨重，使用刚性电极来确保这些特性。即使使用液态或软性导电材料，传感系统的厚度或刚性也限制了EIT作为无缝电子皮肤的实际应用。要克服这些限制，就必须开发既能实现稳定图像重建，又具有机械柔软性的类肤传感界面。

研究成果

在快速发展的人机界面(HMI)领域，高分辨率可穿戴电子皮肤(e-skin)对于用户交互至关重要。然而，传统的阵列结构触觉界面需要更多的互连，而基于软材料的计算方法功能有限。在这里，延世大学Ki Jun Yu & Jongbaeg Kim教授等人介绍了一种用于触觉界面的薄而软的电子皮肤，通过电阻抗断层扫描（EIT）提供高映射能力。我们采用了一种有机/无机混合结构，其制造工艺简单、成本效益高，可确保灵活性和稳定性。导电和可拉伸的传感域包括微图案化的多壁碳纳米管和弹性体复合材料。类似皮肤的触觉界面能有效检测压力引起的电导率变化，以较少的互连(像素/互连>57)提供卓越的时空分辨率。这种基于EIT 的触觉界面能辨别亚毫米级的外部压力和几百微米的垂直变形。在外部损坏或环境变化的情况下，它仍能保持稳定的功能这证明了它适用于持久性可穿戴设备。我们展示了实时人机界面的实际应用:手写识别和无人机控制。相关研究以“Extremely durable electrical impedance tomography–based soft and ultrathin wearable e-skin for three-dimensional tactile interfaces”为题发表在Science Advances期刊上。

图文导读

Fig. 1. Overall schematic of electrical impedance tomography (EIT)–based soft e-skin for tactile mapping interface.

Fig. 2. Mechanical and electrical characteristics of the soft tactile sensor.

Fig. 3. 3D mapping performance of the EIT-assisted tactile interface.

Fig. 4. Robust mapping capability under various environmental changes.

Fig. 5. Real-time applications of the wearable tactile sensor: handwriting recognition and drone control.

总结与展望

作者利用 EIT 报告了用于高性能绘图的触觉界面的本征柔软超薄电子皮肤。通过 MEMS 制造工艺，展示了基于软弹性体的基底和纳米材料(MWCNT)的微图案化，实现了薄膜形状的有机/无机混合 MEMS 制造设备。这种简单的制造方法展示了大面积软电子皮肤装置，这在基于 EIT 的触觉界面中具有挑战性。制造出的器件具有类似皮肤的机械柔软度和电气性能，同时对各种施加压力具有高灵敏度。该装置采用简单的EIT 算法，以高时空分辨率重建压力图像。此外，这种间接测量确保了设备在各种恶劣的可穿戴环境下的功能通过两个可穿戴人机界面应用，我们验证了界面的功能:多点检测、三维映射能力和机械坚固性。

由于这项工作表明了基于 EIT 的软电子皮肤的可行性，因此未来的工作中仍有许多挑战需要解决，以增强功能。首先，作为一种可穿戴设备，应将无线通信系统与传感器集成在一起，使系统便于携带，从而使这种保形触觉界面适应现实生活中的应用。此外，通过调整深度学习过程和高频操作，可以以更高的分辨率重建更平滑、更清晰的触觉映射图像，以区分触觉信息的细节。基于这些发展潜力，这种基于EIT的触觉界面软皮肤有望应用于先进的人机界面应用。

文献链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1099

延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《触觉技术及市场-2024版》