傳感器

與傳統的塊狀電子器件不同,“柔性電子”,指的是可以變得像紙或手機膜一樣輕薄柔軟,還能像橡皮一般有彈性,類似的這種電子器件。

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在“柔性電子”的應用方面,“電子皮膚”是最不可忽視的。所謂“電子皮膚”,即為借助柔性電子技術制造像人體皮膚的電子器件。該電子器件需要像人的皮膚一樣柔軟,同時更需要擁有和皮膚一般的觸覺感知能力。甚而,它還具備強于皮膚的方面,比如,幫助人類獲取環境和人體中的物理化學信號,提升人類與環境或自身的交互能力。

皮膚作為人體最大的器官,是觸覺的載體,為我們提供環境中的物理信息。我們能感受到物體的硬度,是因為我們的皮膚中分散著許多的壓力感受器,這些感受器可以根據皮膚與物體接觸時感受到的力的大小來分辨物體的軟硬程度。所以,通過壓力傳感器,電子皮膚也可以感知物體軟硬程度。有多種方式可以達到壓力傳感的效果,其中最簡單和最常用的一種是壓阻式壓力傳感器,利用導電材料在形變時產生的電阻變化來實現傳感。

借助柔性壓力傳感器,還可以實現對物體形狀的感知。我們的皮膚各處分散著壓力感受器,但只有接觸到物體的感受器才會給我們大腦發送信號。麻省理工學院的科研人員設計出了一種低成本的可伸縮觸覺手套,上面分布著548個壓阻型壓力傳感器,每個傳感器可感知到的壓力數值都能被詳細記錄下來。他們利用這個手套抓握了杯子、勺子、筆、石頭等物體,記錄手套抓握的數據,并錄制視頻。然后利用這些數據訓練深度學習網絡,從而鑒定出不同的物體。

通過柔性電子技術構建對硬度、壓力、形狀和材質的感知,再與柔性拉伸傳感器、溫度傳感器等集成,我們基本就能構建擁有觸覺的電子皮膚。

電子皮膚最直接的應用就是智能機器人。機器人擁有觸覺后,就能更充分、精準地讀取環境中的壓力信號,從而行動也會更為精準、多樣、有效。比如,現在的機器人缺乏對物體精確的力量反饋,不能對小尺寸、柔軟的物體實行精準的抓握和操縱。而電子皮膚則可提供精細的力學反饋,幫助未來的機器人完成準確的抓握和操縱任務。

不過,盡管我們可以在傳感器層面上實現對物體的感知,但將傳感器信號有效地轉換為大腦能夠理解的神經電信號仍舊十分困難。但通過仿生,我們仍有望解決這個問題。

皮膚內的多種觸覺感受器將捕捉到的觸覺信息通過多層中間神經元傳輸到脊椎,神經纖維內的多種傳入神經和突觸會將感受器的傳入信號進行編碼和分離。最后脊椎將編碼和分離后的信號傳輸到大腦。針對這個問題,科學家們發明了人造傳入神經。這種人造傳入神經有三個核心成分:壓阻型壓力傳感器、有機環形震蕩器和突觸晶體管。壓力傳感器負責獲取壓力信息。環形振蕩器代替神經纖維,將壓力信號轉化為與感覺神經元動作電位的頻率相匹配的電壓脈沖。突觸晶體管將這些脈沖信號整合并轉化為突觸后電流,并與生物體內的傳出神經對接,形成一個完整的單突觸反射弧。

隨后,他們將人造傳入神經與蟑螂腿上的傳出神經對接,對壓力傳感器施加一定壓力。壓力信號轉換成突觸后電流,電流經過放大后傳輸到蟑螂腿上的傳出神經,成功地驅動了蟑螂腿的運動。

柔性電子,傳感器

蟑螂腿被人造神經控制機理(圖片來源:Science)

如果采用腦機接口技術,用編碼后的信號對大腦特定區域和細胞進行刺激,就能夠實現觸覺體驗。然而,因為目前對知覺的神經編碼的理解十分有限,再加上腦機接口技術的發展需要進一步突破,我們目前離攻克這一技術難題還有一定距離。

除了建立觸覺系統,我們還可以利用柔性電子技術使各類傳感器擁有皮膚一般的性質,比如柔軟、可拉伸、自愈合等,然后將它們覆蓋在皮膚上或衣服上,隨時隨地感知環境和自身的信息。此外,人們還能借助其他物理化學原理來讓電子皮膚具備更多功能。比如,針對外界環境而言,電子皮膚可被用來感知陽光中紫外線強度、濕度、磁場、物體的接近等;針對人體自身而言,電子皮膚可無創地監測體液中血糖等生理指標信息,采集腦電、肌電和心電信息等。


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