新型电子皮肤有利于改善人机接口！

导读

据德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）官网近日报道，该研究中心与奥地利约翰开普勒林茨大学的科学家们巧妙地使用磁场，开发出首个可同时处理非接触式与接触式刺激的传感器。

背景

皮肤是人体中最大的器官，也是身体功能最多样化的部分。它不仅能在数秒钟之内区分大多数不同的刺激，也可以跨越很宽的范围对信号强度进行分类。柔软的皮肤组织下面分布着庞大的传感器网络，可实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。

电子皮肤，能够模仿人类皮肤的功能和机械特性，由轻薄、透明、柔性、可拉伸的材料制成，可非常方便地贴合于人体皮肤表面，感知压力、温度等外界环境刺激，实现人工触觉。

监测心率、呼吸、肌肉运动等健康数据的电子皮肤（图片来源：大邱庆北科学技术院）

为机器人与义肢带来触觉的电子皮肤（图片来源：斯坦福大学）

具有超强的拉伸、感知和自愈能力的新型电子皮肤（图片来源：KAUST）

创新

近日，与电子皮肤相关的传感器研发又取得了新成果。德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）以及奥地利约翰开普勒林茨大学的科学家们巧妙地使用磁场，开发出首个可同时处理非接触式与接触式刺激的传感器。

（图片来源：HZDR / D. Makarov）

由于各种刺激信号的重叠，先前关于在单个设备上结合这些功能的尝试都失败了。这款传感器可便捷地应用到人体皮肤上，为虚拟现实和增强现实方案提供一个无缝交互平台。研究人员们将研究成果发表在科学期刊《自然通信（Nature Communications）》上。

技术

HZDR 离子束物理与材料研究所以及林茨大学教授 Martin Kaltenbrunner 领导的柔性电子实验室制造出一种与皮肤具有相同特性的电子器件。科学家们称，新型传感器可以极大简化人体与机器之间的相互作用。

Denys Makarov  解释道：“虚拟现实中的应用变得日益复杂。因此，我们需要可以处理和区分多种交互模式的设备。”

然而，目前系统的工作方式要么是通过注册物理触摸，要么是通过非接触式方式追踪物体。现在，这两种交互方式首次在一个传感器上结合起来。这个传感器被科学家们称为“磁性微机电系统（m-MEMS）”。

论文第一作者、HZDR 博士  Jin Ge 表示：“我们的传感器在不同的区域处理非接触式与接触式交互的电气信号。通过这种方式，它可以实时区分刺激来源，并抑制其他来源的干扰影响。”科学家们的非凡设计为这项工作奠定了基础。

首先，他们在聚合物薄膜上制造了一个磁性传感器，该传感器依赖于所谓的巨磁阻（GMR）。然后，这个薄膜通过硅基聚合物层（聚二甲基硅氧烷）密封，该硅基聚合物层含有一个与传感器精准对齐的圆形腔体。研究人员们在这个空洞内，将一个柔性永磁体与腔体表面上的棱锥状突尖结合到一起。

Makarov 评论道：“这一成果很容易让人联想起具有光学装饰物的保鲜膜。但是，这正是我们传感器的优点。”它正是通过这种方式保持非常特别的柔性：它完美地适应所有环境，即使在弯曲条件下，也不会失去功能。因此，这款传感器非常容易安装，例如安装到指尖。

科学家们正是通过这种方式测试了开发成果。Jin Ge 详细描述道：“在雏菊的叶子上，我们安装了一块永磁体，它的磁场指向与我们平台上的磁体相反的方向。”当手指靠近该外部磁场时，GMR 传感器的电阻变低。在手指实际接触到叶子之前，电阻都一直在降低。手指接触到叶子时，因为内置的永磁体被压得离 GMR 传感器更近，从而叠加了外部磁场，所以电阻突然升高。Jin Ge 表示：“我们的 m-MEMS 平台正是通过这种方法，在几秒钟之内记录非接触到接触的明显转变。”

价值

因此，传感器可以选择性地控制物理和虚拟物体，正如团队所进行的一项实验所演示的：他们在一个玻璃片上布置了一块永磁体，物理学家们投影了可操控真实环境的虚拟按钮，例如室温或亮度。科学家们利用带有“电子皮肤”的手指，首先通过与永磁体进行非接触式交互，选择了期望的虚拟功能。一旦手指接触到玻璃片，m-MEMS  平台自动切换到接触交互模式。然后，如果施加了轻压或者重压，就会相应地降低或者升高室温。

研究人员们将之前需要几次互动的活动，缩减至仅需一次互动。Martin Kaltenbrunner 表示：“一开始，这听上去就像一个小成果。然而，长远来看，在这个基础上，我们可以构建更好的人机接口。”这种“电子皮肤”，除了应用于虚拟现实空间，也可以应用于无菌环境。外科医生采用这种传感器，在手术期间使用医疗设备时无需触摸它们，从而降低感染的风险。

关键字

电子皮肤、人机接口、传感器

参考资料

【1】Jin Ge, Xu Wang, Michael Drack, Oleksii Volkov, Mo Liang, Gilbert Santiago Cañón Bermúdez, Rico Illing, Changan Wang, Shengqiang Zhou, Jürgen Fassbender, Martin Kaltenbrunner, Denys Makarov. A bimodal soft electronic skin for tactile and touchless interaction in real time. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-12303-5

【2】https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=59697

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