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《AM》皮肤离子凝胶机械感受器用于软机器、生理传感和截肢假体

发布时间:2022-05-29 04:23:05 来源:亚博app官方下载

  接触感应在机器人抓取和机器人辅佐假肢的新式人机界面中发挥着核心作用。虽然软导电聚合物的前进促进了各种压力传感器的发生,但因为其活络度有限、压力规模窄以及结构和制作工艺杂乱,这些传感器难以用作机器人和假肢的接触皮肤。

  卡内基·梅隆大学Carmel Majidi教授,与上海交通大学机械与动力工程学院谷国迎教授团队一起将离子水凝胶与市售导电织物相结合,构建一种高度活络且巩固的柔软触感皮肤超电容传感。经过简略制作办法,制备并具有高达 1.5 kPa-1的高活络度(比传统平行板电容式传感器高约44倍)、超越四个数量级(约 35 Pa 至 330 kPa)、超高的电容基线、快速的呼应时刻 (≈18 ms)和杰出的重复性的超电容传感。离子凝胶皮肤由一系列能够监测各种生理信号和形状检测的皮肤机械感受器组成。接触皮肤能够集成在柔软的仿生手中,并在处理精密物体时为工业机器人和截肢者供给强壮的触觉反应,阐明其在具有触觉传感的下一代人在回路机器人体系中的潜在运用。文章“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses”宣布在《Advanced Materials》。

  图1,超电容压力传感机器人皮肤的规划与原理。a)软机器人皮肤体系功用的示意图。b) 传统平行板电容传感器(顶部)和超电容传感器(底部)的传感原理。关于超电容原理,当不施加压力时,水凝胶层和导电织物层之间的接触面积是有限的。电极层上的正负电荷招引离子水凝胶层中相对较少的阳离子和阴离子。在外部压力下,层间的接触面积明显添加。更多的离子被招引到界面上,然后大大添加了电容。c)由离子水凝胶、导电织物、VHB弹性体和垫片组成的超电容离子凝胶压力传感皮肤的规划架构。

  图4,多重传感阵列的运用。a) 安装在人类前臂上的一维触控条,能够演奏钢琴。b) 在旋律播映过程中,接触条中七个通道的电容(ΔC/C0)的相对改变。c) 4 × 4 像素的 2D 计算器接触屏。d) 16 个像素的电容散布映射。e) 能够辨认测验图画形状的 2D 传感阵列。f) 传感阵列的电容散布映射。

  图5,柔软仿生手的超活络接触皮肤。a,b) 安装在柔软仿生手上的接触皮肤的实时多通道电容信号,对应于 a) 轻质螺母和 b)茸毛的加载和移除。c) 当网球在仿生手上翻滚时,机器人皮肤的多通道电容信号。d) 当电容的相应改变超越阈值时,接触的单个手指或多个手指被编程为曲折。e) 仿生手固定在工业机器人上的试验设备相片。f) 动态呼应过程中接触皮肤的实时电容信号。

  图6,具有触觉离子凝胶机械感受器的人在回路机器人体系。a) 经桡动脉截肢者的相片,运用柔软的假手与接触皮肤相结合,与蛋糕等易碎物体相互作用。b)在没有触觉反应和单级反应的情况下操作蛋糕时感觉假手的压力呼应的比较。c) 接连按压蛋糕时的多级触觉反应。d) 展现感觉假手区别不同形状物体(老练西红柿、亚急性杨桃和多刺菠萝)的才能。

  作者提出了一种根据软超电容离子水凝胶的触觉皮肤,可认为可穿戴电子设备和假肢机器人供给压力感应。该接触皮肤可完成强壮的机器人运用并完成杰出的传感功能——包含高活络度和分辨率、快速呼应速度和广泛的检测规模。机器人皮肤可认为工业机器人和经桡动脉截肢者供给实时的感官反应,有利于灵活的操作和与外部环境的安全交互。此外,因为其多功用资料结构,皮肤能够与更有用的触觉反应办法(如电和振荡影响)相结合。运用超电容离子电子资料作为新式电子皮肤,为下一代人机界面、假肢和其他智能机器人体系供给了新的可能性。

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