張躍院士/廖新勤/陳忠等人AFM：?《百變星君》之百變機(jī)器人皮膚
發(fā)表時(shí)間 ：2024-10-08
作者 ：高分子科學(xué)前沿
來源 ：高分子科學(xué)前沿
《百變星君》講述了阿星因得罪黑幫遭轟殺至粉身碎骨，后由教授將其改造為能變化多種形態(tài)的人造人復(fù)活，最終通過置入教授發(fā)明的芯片實(shí)現(xiàn)各種形態(tài)的變形，最終打敗黑幫制造的鐵甲威龍。
在人與智能機(jī)器的互動(dòng)中，觸覺感知是一種直觀且令人驚嘆的體驗(yàn)。想象一下，未來的機(jī)器人不僅能夠理解你的語言，還能通過感知到你的觸摸，反饋溫度、壓力甚至是輕柔的撫摸。然而，現(xiàn)有的人工皮膚設(shè)計(jì)在多功能性與可持續(xù)性之間仍然面臨著困境——它們往往只能包含特定功能，除非改變成分，否則無法按照重構(gòu)性能和改變功能。而且，在目前的設(shè)計(jì)中，人工皮膚即使能實(shí)現(xiàn)回收，也多為定向回收。這意味著，材料只能被拆解成特定的用途，無法重新設(shè)計(jì)組合，實(shí)現(xiàn)功能為導(dǎo)向的傳感器性質(zhì)定制。這種局限性嚴(yán)重影響了未來智能機(jī)器的可持續(xù)發(fā)展與擴(kuò)展性。為了解決這一挑戰(zhàn)，北京科技大學(xué)張躍院士和廈門大學(xué)廖新勤、陳忠等人提出一種基于材料基因表達(dá)調(diào)控的可變機(jī)器皮膚。相關(guān)研究以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，展示了通過材料基因表達(dá)調(diào)控實(shí)現(xiàn)功能單元可重構(gòu)的機(jī)器人皮膚設(shè)計(jì)。這種人工皮膚不僅具備功能單元的可重構(gòu)能力，還能實(shí)現(xiàn)靈活的性質(zhì)定制，使得機(jī)器人在結(jié)構(gòu)和功能上更貼近原始自然的皮膚。圖1 可變機(jī)器人皮膚的設(shè)計(jì)概念圖通過借鑒生物系統(tǒng)中的基因表達(dá)原理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有可變特性的機(jī)器人皮膚，其核心原理為：水凝膠材料基元通過熱聚合和冷凍聚合等不同誘導(dǎo)條件下展現(xiàn)特異的功能屬性，可分別作為仿生機(jī)器人皮膚的觸摸定位功能層和壓力感知功能層（圖1a）。本文介紹了一個(gè)可持續(xù)的制造框架，包括設(shè)計(jì)、制造、整合和再生階段。該框架允許功能電子元件的靈活回收和重建，以滿足不斷變化的需求，為人工智能系統(tǒng)帶來顯著的可擴(kuò)展性和可持續(xù)性（圖1b）。與傳統(tǒng)的功能單一的傳感方案不同，這種設(shè)計(jì)允許源于組分的均質(zhì)材料基元僅通過誘導(dǎo)條件變化從而激活多種觸摸感知功能，比如位置、壓力和動(dòng)態(tài)觸覺等。這種可變性顯著提升了系統(tǒng)的多功能性和可持續(xù)性，降低了材料復(fù)雜性，并通過同質(zhì)化結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了不同功能單元的定制化組合（圖1e-f）。
圖2 快速溶解和高強(qiáng)度的交聯(lián)滲透復(fù)合水凝膠
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種交聯(lián)-滲透復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)：通過在本征聚乙烯醇（PVA）水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入第二相羧基化纖維素納米纖維（CCNF）滲透網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建復(fù)合網(wǎng)絡(luò)（圖2a-d）。復(fù)合網(wǎng)絡(luò)解決了一般可回收網(wǎng)絡(luò)無法兼顧高機(jī)械強(qiáng)度和可回收便利性的難題。其中，纖維滲透網(wǎng)絡(luò)可以在本征氫鍵網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成第二網(wǎng)絡(luò)，提高整體的機(jī)械強(qiáng)度（圖2e），且促進(jìn)體系離子電導(dǎo)率；而且，羧基化纖維素表面的羥基基團(tuán)可作為占位鍵，抑制PVA本征網(wǎng)絡(luò)的硬化，獲得低熱水解溫度（圖2f-g）?；谒z的機(jī)器人皮膚具有狀態(tài)可復(fù)原、性質(zhì)可繼承和功能可分化的三個(gè)特點(diǎn)，建立了生物組織基因表達(dá)與人工系統(tǒng)智能制造之間的聯(lián)系（圖i-k）。
圖3 觸覺定位層的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試
研究者展示了熱誘導(dǎo)聚合水凝膠用作觸摸定位層（TP層）的設(shè)計(jì)機(jī)制與性能測(cè)試。熱誘導(dǎo)聚合水凝膠的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性和低電信號(hào)漂移特性適用于機(jī)器人皮膚的觸摸定位層。研究者采用四電極結(jié)構(gòu)，結(jié)合位置矯正算法，實(shí)現(xiàn)了大面積、全區(qū)域的高精度觸摸定位（圖3a-c）。基于超快響應(yīng)（<10ms）和超低誤差（均方誤差低于3%）的觸摸定位板展示了高精度觸摸定位、普適性手寫識(shí)別等功能（圖3d-i）。在回收復(fù)用制造后，傳感信號(hào)以及識(shí)別功能仍然保持（圖3j-k）。
圖4 壓力感應(yīng)層的結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試研究者展示了冷凍誘導(dǎo)聚合水凝膠用作壓力傳感層（PS層）的設(shè)計(jì)機(jī)制與其對(duì)不同壓力的響應(yīng)性能（圖4a-b）。冷凍誘導(dǎo)聚合水凝膠的高離子導(dǎo)電率提升壓力感知信號(hào)、柔軟特性更能賦予PS層更貼近皮膚組織的體驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)采用凍融交聯(lián)的水凝膠層，結(jié)合半球形微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅提升了壓力感應(yīng)的靈敏度（圖4c-e）。PS層不僅能夠感知靜態(tài)壓力，還可以通過分析觸覺動(dòng)作的頻率和強(qiáng)度信號(hào)，區(qū)分不同的觸覺模式，如拍、打擊、撓等，這在觸覺互動(dòng)中的應(yīng)用潛力巨大（圖4f-g）。圖5 觸覺互動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景研究者開發(fā)了一套完整的觸覺互動(dòng)系統(tǒng)，以驗(yàn)證兩種感知層的協(xié)同工作性能。可變機(jī)器人皮膚能夠通過捕獲多種觸摸模式的觸覺信息（如拍打、撫摸等），并基于這些觸覺信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作（圖5a-d）。傳感模式集成實(shí)現(xiàn)融合觸覺信息的高效識(shí)別，可用于基于觸摸壓力與位置的人機(jī)觸覺交互。該系統(tǒng)僅需五個(gè)數(shù)據(jù)通道就可以傳輸全面積內(nèi)的觸摸位置和壓力信息，通過結(jié)合位置信號(hào)與壓力信號(hào)的多模態(tài)分析，顯著提升了對(duì)復(fù)雜觸覺運(yùn)動(dòng)的識(shí)別精度（高達(dá)97.25%）（圖5e-j）。這一系統(tǒng)展現(xiàn)了可變機(jī)器皮膚在交互場(chǎng)景中的高效信息處理和反饋能力，在教育娛樂、智能機(jī)器人和仿生義肢等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。研究者提出了一種基于材料基因表達(dá)調(diào)控的可變機(jī)器皮膚，能夠在同一材料系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，如觸覺定位和壓力感知。通過納米纖維復(fù)合水凝膠的交聯(lián)設(shè)計(jì)，該皮膚不僅具備高機(jī)械強(qiáng)度，還具有快速溶解和重構(gòu)的能力，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)循環(huán)使用。觸覺定位層具備高精度的觸摸位置檢測(cè)，而壓力感應(yīng)層能夠靈敏地感知并區(qū)分不同的壓力和觸摸模式。在集成模式下，該機(jī)器人皮膚基于精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)卻實(shí)現(xiàn)全區(qū)域內(nèi)的協(xié)同感知。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)為柔性電子、仿生義肢和智能機(jī)器人領(lǐng)域帶來了全新的應(yīng)用前景。
來源：高分子科學(xué)前沿
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