新型电子皮肤:透明、防水、可拉伸、可自我修复!

IntelligentThin 2019-03-19 17:23

导读


近日,新加坡国立大学的科学家团队受到水母启发,创造出一种具有类似功能的电子皮肤。像水母一样,这种电子皮肤是透明、可拉伸、触摸敏感的,并能在水生环境中自我修复。它可应用于从防水触摸屏到水生软体机器人的各个领域。


背景


皮肤,是人体中最大的器官,可直接与人体外部的环境进行接触与交互。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(electronic skin)是一门新兴的前沿技术模仿了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,能非常便捷地贴合于人体皮肤表面,感知人体生理信号例如血氧浓度、血液中的酒精浓度等,以及外界环境刺激例如压力、温度等,从而实现人工的触觉感知功能。如今,电子皮肤已经广泛应用于医疗机器人人造假肢可穿戴技术等多个领域。


(图片来源:东京大学)


创新


近日,新加坡国立大学(NUS)的科学家团队受到水下无脊椎动物例如水母的启发,创造出一种具有类似功能的电子皮肤。像水母一样,这种电子皮肤是透明、可拉伸、触摸敏感的,并能在水生环境中自我修复。它可应用于从防水触摸屏到水生软体机器人的各个领域。


像凝胶一般、水生、可拉伸、自修复的电子皮肤设计(图片来源:参考资料【2】)


新加坡国立大学工学院材料科学与工程系助理教授 Benjamin Tee 及其团队,与中国清华大学和美国加州大学河滨分校的合作伙伴们一起开发出了这种材料。


Tee助理教授(后排,右)及其团队(图片来源:NUS)


团队的八名研究人员花费了超过一年的时间开发出了这种材料,团队的这项发明首先于2019年2月15日在《自然电子学(Nature Electronics)》期刊上发表。


自然电子学期刊封面(封面设计:Allen Beattie)


技术


多年来,Tee助理教授一直致力于研究电子皮肤,他也是2012年开发出首个自修复电子皮肤传感器的成员。


在这个研究领域的经验,使他可以判断出自修复电子皮肤领域尚未克服的关键障碍。他说:“如今,许多自修复材料所面临的关键挑战之一就是,它们不是透明的,并且在潮湿的时候无法高效地工作。这些缺点阻碍了它们应用于触摸屏等电子产品,因为这些电子产品经常需要在潮湿天气条件下使用。”


他继续说:“怀揣着这个想法,我们开始研究水母。水母是透明的,并且能感知潮湿环境。所以,我们想知道如何才能制造出一种人工材料,模仿水母的防水特性,并且对触摸敏感。”


水母(图片来源:维基百科)


他们的努力取得了成功,创造出了一种由碳氟化合物基聚合物以及富氟离子液体组成的凝胶。当二者结合时,聚合物网络与离子液体之间通过高度可逆的离子偶极子相互作用进行交互,从而使得它能自我修复。


为了详尽阐述这种配置的优点,Tee助理教授解释道:“大多数的导电聚合物凝胶,例如水凝胶,在浸入水中的时候会产生膨胀,或者在空气中随着时间推移会变干。我们的材料的不同之处在于,它在潮湿和干燥的环境中都能保持住形状。它能很好地工作在海水甚至是酸性或者碱性环境中。”


电子皮肤材料可调谐的电气与机械特性(图片来源:参考资料【2】)


机电自修复功能(图片来源:参考资料【2】)


价值


这种电子皮肤是通过将新型材料印刷到电子电路上创造出来的。作为一种柔软、可拉伸的材料,当被触摸、按压或者拉紧时,其电气特性会产生变化。Tee助理教授补充道:“我们可以测量这种变化,将它转变为可读的电信号,从而创造出一系列不同的传感器应用。”


由这种电子皮肤制造出的触摸、压力和应变传感器(图片来源:参考资料【2】)


Tee助理教授又补充道:“我们的材料的3D打印能力,也表明了它在创造完全透明电路板方面的潜力,这些透明电路板可用于机器人领域。我们希望利用这种材料在新型软体机器人领域开发各种应用。”


柔软、可拉伸、透明、自修复的PCB(图片来源:参考资料【2】)


软体机器人和柔性电子器件,总的来说,目标是模仿生物组织,使得它们从机械角度来说更适合人机交互。除了传统的软体机器人应用,这种新型材料的防水技术,使之可用于设计水陆两用机器人和防水电子器件。


这种自修复电子皮肤更进一步的优点就是:有望减少垃圾。Tee助理教授解释道:“全球每年要产生几百万吨电子垃圾,这些垃圾来自损坏的手机、平板电脑等电子产品。我们希望创造出一个未来,使得由智能材料制造出的电子器件可自我修复,从而减少全世界的电子垃圾数量。”


未来


Tee助理教授及其团队将继续他们的研究,并希望未来进一步探索这种材料的可能性。他说:“目前,我们正在利用这种材料的综合性能,去制造新型光电子器件,这些光电子器件有望应用于许多的新型人机通信接口。”


关键字


电子皮肤机器人柔性电子触摸屏


参考资料


【1】http://news.nus.edu.sg/research/transparent-self-healing-electronic-skin

【2】Yue Cao, Yu Jun Tan, Si Li, Wang Wei Lee, Hongchen Guo, Yongqing Cai, Chao Wang, Benjamin C.-K. Tee. Self-healing electronic skins for aquatic environments. Nature Electronics, 2019; 2 (2): 75 DOI: 10.1038/s41928-019-0206-5




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