首页 世界科学家规划超薄指尖传感器,可用于外科微创手术

世界科学家规划超薄指尖传感器,可用于外科微创手术

视频中的人,蒙着眼睛,只需求用手指接触,就可以区分出纸上的字母。完结这个才能,用的是一个分量仅为1.3克的设备。而担任给指尖传导信号的硅胶薄膜,只要18微米厚。这个厚度,薄于一张一般A4纸厚度的五分之…

视频中的人,蒙着眼睛,只需求用手指接触,就可以区分出纸上的字母。完结这个才能,用的是一个分量仅为 1.3 克的设备。而担任给指尖传导信号的硅胶薄膜,只要 18 微米厚。这个厚度,薄于一张一般 A4 纸厚度的五分之一,也远远小于人体表皮的厚度

这是世界科学家冀晓斌领衔开宣布的新式设备,只用 1.3 克的分量,可以发生 1 到 500Hz 的轰动信号,给手指传递不同的触感。完结 “瞎子摸字” 的原理很简略,用发光二极管作为传感器,感知纸面反光的强度,将信号传递给一个微型操控器。当触碰到黑色的区域,设备就会主动敞开,将异常的触觉传递给指尖。人经过触觉反响,就能辨认出图画。

这个设备的姓名叫做 feel-through DEA(下称 FT-DEA),“瞎子摸字”的实验,仅仅对其功用的一个验证。更重要的是,这种轻盈的触觉传感器,供给了一种新式的人机交互界面,具有高活络度和宽信号频域,咱们跟不同的 VR 或 AR 设备结合,就可以开宣布更传神的虚拟实际或增强实际体会。

冀晓斌介绍,”feel-through”表明晰这款新式穿戴设备的优势。因为其轻浮的特性,18 微米的薄膜既可以传递给手指额定的触觉信号,一起又坚持了人手指日常的感觉和活动功用。“戴上这个设备,持续敲键盘,喝咖啡,或许是接触其它物品,都不会受影响。”

冀晓斌于 2013 年和 2015 年先后在法国取得学士与硕士学位,2019 年在瑞士洛桑联邦理工学院取得微体系与微电子博士学位,回国后,成为河北工业大学校聘教授,归于该校李铁军教授团队成员,研讨方向是小型智能软体机器人体系与可穿戴设备。

他独爱 DeepTech,自己原本在 EPFL 做博士后,12 月回国,正好赶上疫情,就辞去了在瑞士的作业,决议在国内高校任职。在几个选项中,他被河北工业大学所供给的资源和渠道所感动,终究挑选了这儿,现在他正在准备自己的实验室。

图 | a. 指尖上的 Feel-through DEA 触觉设备;b. 佩带 FT-DEA 弹钢琴

超薄触觉反响设备,完结新的人机界面

一说到 VR 和 AR 设备,标志性的设备便是头戴眼镜,它可以呈现出绘声绘色的画面和声响。但这仅仅虚拟体会的一部分,更困难的是供给虚拟触觉。

现在,完结与虚拟目标的互动,需求运用手持的电机设备,它们不只粗笨,也只能传导十分粗糙的触感,运用的时分,需求以特定的姿势持握,对人的动作约束也很大。也便是说,现有的手持设备,会阻挠人手原有的力学感触功用,穿戴上今后,手指日常的功用就会受到影响。

图 | Valve Index VR 设备

要完结科幻电影里感同身受的 VR 和 AR,有必要要有更简便的触觉传感设备。冀晓斌和搭档们的作业,便是在这一思路下诞生的。

可以做出如此简便的设备,要害的技能在于以极低的电压输出高功率密度,然后将人类可以辨认的信号送到达指尖。尽管硅胶薄膜只要 18 微米厚,但是在输出信号为 580Hz 时,功率密度可以大于 10?W/m?。

低驱动电压,使得 FT-DEA 的操控与供能设备可以做得满意小,来完结无线作业,这满意了穿戴设备的需求。

低电压的技能,是冀晓斌在博士课题中完结的打破。他在 EPFL 做博士期间,师从软体传感器实验室主任 Herbert Shea 教授,完结了 “低电压高速率介电型弹性体驱动器” 的课题。高驱动电压是 20 多年来困扰 DEA 范畴的一个根本问题。

所谓 DEA,是介电型弹性体驱动器的简称。冀晓斌介绍,这是一种电驱动的人工肌肉,可以将电能转化为机械能。

冀晓斌的博士课题成功地将 DEA 驱动电压下降了一个数量级,而且研宣布了史无前例的高功能、低电压 DEA。

冀晓斌也针对开发的低电压、高功能 DEA 规划了新式运用,之前规划的软体机器昆虫,发表于机器人顶尖期刊 Science Robotics;此次的 FT-DEA 则是可穿戴的触觉反响设备,于 2020 年 10 月发表于资料学期刊Advanced Functional Materials 上。两篇论文,冀晓斌都是一作。

图 | 冀晓斌

DEA 所运用的硅胶薄膜自身不导电,它双面涂上电极后相当于一个电容器,当充满电之后,两电极间发生的静电力在厚度方向紧缩硅胶薄膜,然后让薄膜面积增大发生形变。这一进程把电能转化成了机械能。运用不同频率的操控电信号,可以操控驱动器的运转速率。

冀晓斌描述,“浅显地讲,DEA 便是一个软体平行板电容器。”运用聚二甲硅氧烷这一资料当作介电层的功能优势是相关 DEA 的反响速率快,可以到达毫秒等级。因为 PDMS 这种资料的粘弹性很小,比较于其它的介电资料其力学性质对DEA 运转速度的影响要小的多。

在指尖完结不同类型的信号传导

手指顶级有丰厚的感触神经,而以弹性硅胶为资料的 DEA 可以习惯手指的形状而且贴合皮肤。FT-DEA 在通电作业时彻底静音,因而十分合适作为穿戴于指尖的触觉反响器。

FT-EDA 戴在手指上,在不通电的时分,硅胶薄膜处于预拉伸的状况,会给指尖皮肤一个细微的压力。当通电之后,静电力发生效果,DEA 激活,就会开释预先施加的压力,然后使皮肤发生正方向的位移。当运用从 1 到 500Hz 不同的驱动频率,薄膜会发生对应不同的位移和拉伸,然后发生不同的触觉反响信号。

图 | d. DEA 经过拉伸皮肤来给穿戴者发生触觉反响信号 e. 电压开关状况下皮肤以及 FT-DEA 侧视图。(来历:

那人类是否可以精确辨认出不同的信号类型呢?

研讨寻找了 11 个不同性别、年纪的运用者,经过两个测验来搜集他们的反响。榜首个测验,研讨人员用不同频率的信号进行测验,让运用者评判是否可以感知到信号,并依照感觉强度从 0到 4给出打分。终究的成果显现,除了关机时的感觉为零,_简直_其它的频率都可以被感知到,而在 5 到 200 Hz 的区间,感知程度都坚持在 2 以上。

在第二个测验中,运用者被随机给予 6 种不同的信号类型:10Hz、200Hz、在 10Hz 与 200Hz 间切换、由封闭升为 200Hz、由 200Hz 降为封闭、封闭。经过 10 分钟的简略学习后,运用者被随机给予不同的信号影响,并进行区分,成果显现了 73% 到 97% 的区分正确率。

这两个实验证明,仅仅经过现在指尖单点的设备,现已可以成功传导多种触觉信号。

图 | a. 运用者关于不同频率信号的反响强度平均值计算 b. 运用者对 6 种不同信号的辨认混杂矩阵,对角线显现为正确率

冀晓斌表明,这仅仅是一个开始验证,证明 FT-DEA 精确表达触觉信号的可行性,研讨中现已展现了 10 个 DEA 在手指上构成的一个阵列结构,未来将打破单点的信号形式,运用 DEA 阵列来模仿部分的手部感觉,或许反响更为完好的运动途径。

图 | 10 个 DEA 组成的阵列,掩盖在手指上。

专访一作冀晓斌

DeepTech:请问 FT-DEA 的结构是怎样的?

冀晓斌:这是一个多层的结构,两层电极中心夹一个介电弹性体硅胶层,是一个根本的单元。一共有 3 个单元堆叠起来,总计共有 7 层,其中有 4 层电极,3 层硅胶层。这样规划的意图是增大它的输出力,单硅胶层厚度是 6 微米。在这项作业中,咱们堆叠了三层,手指顶级的感触很活络,咱们将来运用于身体其它部位,比方背部,有对输出力的强度有更高的要求,可以经过堆叠更多的厚度来添加输出力,然后使其它部位也可以感触到反响信号。

DeepTech:FT-DEA 的特征是可以在低电压的驱动下,以十分薄的资料完结其功能,这树立在你博士课题的技能打破上,完结低电压驱动的难点在哪里?

冀晓斌:下降 DEA 驱动电压大致有两种办法,榜首,添加介电层的介电常数。第二,下降介电层的薄膜厚度。咱们选取的是第二种途径。

当薄膜厚度下降后,对薄膜的质量要求很高。咱们薄膜质量不高,比方厚度不均匀,相关 DEA 功能会受约束。

愈加具有挑战性的是,下降介电层厚度后,对 DEA 的电极要求严苛。既需求有很好的导电功能来确保 DEA 快速充放电,又有必要具有很好的力学功能来下降对整个薄膜结构的死板。咱们开发了根据 Langmuir 原理的先进纳米制作工艺来二维拼装 DEA 的可拉升电极。研宣布了分子厚度的可拉伸电极来满意这些严苛要求。

DeepTech:在蒙眼识字的实验中,添加了一个发光二极管,它的效果是什么?

冀晓斌:这个实验中咱们做了一个集成的无线操控体系,全体设备只要 1.3 克,这也是可穿戴设备的要求,不能很重,不会影响正常日子。发光二极管的效果是辨认色彩,它可以勘探色彩,将搜集到的信号传导给微操控器,然后决议 FT-DEA 是否敞开。当勘探到黑色的时分,微操控器就会反响出 450 伏 200 赫兹的频操控信号,而在白色的时分是封闭的。运用者经过手指的感触就可以读取黑色的字母。

DeepTech:现在只进行了一个识字实验,FT-DEA 还有哪些运用的潜力?

冀晓斌:VR 里,可以运用它去触碰一些虚拟的物体。研讨中展现了一个戴在手指上的矩阵,假定它可以掩盖整只手,就可以完结感知一些虚拟的图画,或许当手做出一个相似抓握这样的动作时,也可以给予相对应的反响信号。

当然咱们现在仅仅模仿了表皮上的触觉,咱们未来的 VR 要完结让人感触到一个不存在的事物,比方拿住一支笔,需求完好的信息,包含关节的姿势,还有皮肤的触觉,一个抱负的手套是可以完结一切的使命的。这也是将来要打破的作业。

另外在一些需求精密操作的当地,比方一些外科手术、精密拼装等,人体自身的精度是有限的,在精密操作的时分简单发生差错,而电子设备可以完结更高的精准度。

比方一些外科微创手术,可以经过它来奉告操作者精度的规模,协助人手完结更好的操作。这可以完结人和机器之间更亲近的交互,机器经过触觉反响给人类信号,比方将一层这样活性的薄膜戴在手上时,就增强了人机交互的维度,一起具有便利性。

本文来自网络,不代表本站立场。转载请注明出处: https://www.almost-heroes.com/news/20220704/5134.html
上一篇
下一篇

发表评论