電子胡須可能是未來(lái)電子皮膚的試金石

你在寵物身上看到的那些可愛(ài)的小胡須不僅僅是抽搐著。長(zhǎng)而突出的毛發(fā)實(shí)際上是觸摸感受器，將關(guān)于周圍環(huán)境的重要信息發(fā)送到大腦并幫助動(dòng)物了解它們的環(huán)境。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員利用形狀記憶聚合物創(chuàng)造了一種稱為電子晶須的人造電子版本，模仿真實(shí)物品的特性。他們?cè)谧罱l(fā)表在Advanced Materials期刊上的一篇論文中描述了他們的工作。

根據(jù)組裝它們的研究人員的說(shuō)法，頭發(fā)狀結(jié)構(gòu)是工程電子人體皮膚的重大進(jìn)步。

密封傳感器

“在動(dòng)物王國(guó)中有一些非常有趣的例子，說(shuō)明胡須如何有助于探測(cè)和詢問(wèn)環(huán)境，”Jonathan Reeder BS'12博士說(shuō)，該研究的主要作者，該研究的博士作為博士Erik Jonsson工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院的學(xué)生。

他說(shuō)，密封件就是一個(gè)很好的例子。

“密封件使用長(zhǎng)須子進(jìn)行非常復(fù)雜的傳感。當(dāng)他們?cè)谒杏斡緯r(shí)，他們的胡須實(shí)際感覺(jué)到水的流動(dòng)，??”現(xiàn)在是西北大學(xué)博士后研究員的Reeder說(shuō)。“已經(jīng)進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試，其中蒙著眼睛的海豹會(huì)發(fā)現(xiàn)魚在游泳池里游泳，并且可以根據(jù)湍流實(shí)際跟蹤魚類。魚會(huì)擾亂水，水會(huì)干擾海豹的胡須，并提供有關(guān)哪里的信息魚是。它是晶須的三維結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)的功能。“

Reeder和他的博士導(dǎo)師Walter Voit博士BS'05，MS'06一起創(chuàng)作了他自己的胡須版本。Voit是材料科學(xué)與工程和機(jī)械工程的副教授，是該論文的作者。

從平板形狀記憶聚合物中切出電子晶須的輪廓，該聚合物在室溫下是剛性的，但在加熱時(shí)變得柔韌。在每個(gè)晶須的頂部圖案化柔性應(yīng)變傳感器，其具有與人類頭發(fā)大致相同的直徑并保持附著在片材上。

當(dāng)研究人員通過(guò)切口底部吹出熱空氣時(shí)，材料變得柔軟且可彎曲，使小手指或電子晶須上升并變成三維的。一旦組裝了電子晶須，干擾就會(huì)引起應(yīng)變傳感器電阻的變化，從而可以精確跟蹤每個(gè)電子晶須的位置。

“到目前為止，我們已經(jīng)創(chuàng)造了一些密度最高的電子晶須，”Voit說(shuō)。“當(dāng)你有很多像這樣的傳感器可以拖過(guò)表面時(shí)，你可以用它們來(lái)測(cè)量許多有趣的特性。我們的電子晶須能夠檢測(cè)到力，壓力，接近度，溫度，剛度和地形。他們用各種材料擦拭或掃過(guò)它們，模仿人體皮膚的感應(yīng)能力。“

復(fù)制皮膚功能

研究人員表示，機(jī)器人和假肢可能是電子胡須的兩大應(yīng)用。

“許多機(jī)器人已經(jīng)從他們的物理環(huán)境中收集了觸覺(jué)信息。然而，傳統(tǒng)的傳感器缺乏人類觸摸的復(fù)雜性和豐富性。使用電子胡須，我們可以增加在表面上放牧傳感器時(shí)可以獲得的信息類型，”里德說(shuō)。“在機(jī)器人技術(shù)中，電子胡須可以通過(guò)確定什么是軟硬，冷熱，光滑和粗糙來(lái)復(fù)制人體皮膚的功能。它們可以讓機(jī)器人識(shí)別物體并安全地與它們互動(dòng)，使機(jī)器人更加”人性化“ '”。

將電子晶須與假體整合可能更困難。

“將電子傳感器直接與生物學(xué)相結(jié)合是最引人注目的應(yīng)用，但提出了一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，”Reeder說(shuō)。“即，如何將傳感器產(chǎn)生的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)系統(tǒng)的'語(yǔ)言'，以及如何在柔性電子組織和軟組織之間形成穩(wěn)定的機(jī)械和電氣耦合。”

最終，科學(xué)家們不僅希望用假肢復(fù)制人體功能，還要改進(jìn)它。

“電子晶須對(duì)表面拓?fù)浜蜏囟茸兓撵`敏度，以及傳感器的響應(yīng)時(shí)間，都超過(guò)人體皮膚的能力至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，”Reeder說(shuō)。“對(duì)于一個(gè)有假肢的人來(lái)說(shuō)，實(shí)際上比用人手有更好的靈敏度并非不可能。”

參與這項(xiàng)工作的其他UT達(dá)拉斯研究人員是機(jī)械工程研究生Tong Kang和本科生物工程專業(yè)學(xué)生Sarah Rains。