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石墨烯电子皮肤“吹弹可破”:比人“感觉”更灵敏

2019-10-09 17:12:42来源:励志吧0次阅读

手术室里,穿着电子皮肤的机器人正在做手术,它将另一块电子皮肤植入病人体内。操作者是室外的医生,他可以感知到病人的细微反应,并实时监控患者术后的愈合情况……

这种科幻电影中的场景也许不久之后就会成为现实。近日,中科院半导体所超晶格国家重点实验室研究员沈国震课题组与中国人民解放军总医院教授姜凯合作,研制出一种基于石墨烯材料的新型柔性触觉传感器,实现了类似人体皮肤功能,可快速感知微小压力变化等,可应用于军事、医疗健康等领域。

比人“感觉”更灵敏

电子皮肤即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器,是一种用于实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。

“它像人体皮肤一样具有柔韧性,可以任意弯曲与变形,能够实现仿人类触觉感知的功能。”沈国震在接受《中国科学报》记者采访时表示,“对轻如羽毛、小似米粒的物体停留在其表面所造成的触觉,也能够清晰地感知出来,而且感应速度极快。”

人类皮肤的感触响应时间为30~50 毫秒,该器件响应时间仅需5毫秒,而且灵敏度高达15.6kPa-1,并能够循环工作10万次以上。从这些数据上看,电子皮肤的“感觉”一点都不比人类的差。

“其实,相对于听觉、视觉而言,触觉感官的模仿十分困难。”沈国震坦言,因为模拟触摸感觉需要发展高空间分辨率、高灵敏度、快速响应和大尺寸的压力传感器阵列,为了模仿自然皮肤的触觉感知特性,必须发展大面积柔性高像素力传感器阵列。

明星材料登场

“石墨烯材料与可穿戴仪器最近两年很火,火到我们不由自主地想要把两者结合起来,结果显而易见,效果非常好。”沈国震特别强调了石墨烯的优点。

传统石墨烯由于其良好的导电性,将其应用在压阻型柔性压力传感器中时,器件对压力的电学性能变化并不明显。

“为了解决这一问题,我们将石墨烯与聚偏氟乙烯纳米纤维进行复合形成三维网络,使得器件电学性能可调性增强,更适于应用在仿生电子皮肤领域。”沈国震介绍说。石墨烯与一维纳米纤维构成的三维网状结构,更有利于器件感受微小压力的变化。

沈国震课题组虽然从事柔性电子学研究多年,但初入电子皮肤领域时,还是遇到了很多问题。

“比如在研究基于石墨烯材料电子皮肤与健康监测方面的应用时,需要测试传感器件在几万次循环工作后的传感性能是否有变化以及传感器在不同频率压力下的响应,但实验室中又缺少相关的专业设备来测试。”沈国震说。

当科研人员正在苦闷的时候,突然想到如果将砝码与斩波器相连,利用斩波器的转动就有可能为器件提供长期稳定不同频率的压强。经过一番努力,课题组终于完成了器件在10万次以上循环的测试,获得了能够长期稳定工作的器件。

普遍应用尚需时日

人造仿生电子皮肤作为可穿戴设备的一种,其研究和开发受到了不同学科研究人员的重视。随着研究的深入,石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等特殊材料因其超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性,被认定为电子皮肤的优良基底。其发展趋势主要集中在医疗、人工智能以及虚拟现实等领域。

“目前这种仿生电子皮肤已经被尝试应用在医学领域,用来实现对脉搏跳动、语音识别等人体生理信号的实时快速检测。”姜凯告诉记者。

例如,通过对人体说话时产生的微弱压力变化以及通过对脉搏变化的分析,可以初步实现语音识别与人体不同生理状态的准确检测,有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面获得广泛应用。

“对于许多烧伤烫伤患者、截肢患者以及整容者来说,人造皮肤拥有触觉可以给他们带来很大的益处。”姜凯介绍。

日本福岛地震后,由于辐射严重已不适宜人类工作,本田公司为已有的机器人研制电子皮肤,使其能够更好地感知周围环境,工作于核辐射最严重的区域。此外,仿生电子皮肤在消费电子、军事、医疗健康乃至更为科幻的机器人“仿人体皮肤”等领域,都将为人类科技带来革命性的突破。

“不过,目前人造皮肤主要用于医疗方面,并且成本较高,应用在其他领域尚需时日。”沈国震坦言。

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