第一作者：李逸洲
通訊作者：陳智明、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
觸覺(jué)在信息獲取中起著重要的作用，即使沒(méi)有視覺(jué)，也可以通過(guò)觸覺(jué)獲取復(fù)雜的信息。為了模仿人類(lèi)手指的觸覺(jué)感知，各種各樣的觸覺(jué)傳感器已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用在生物機(jī)器人上，以獲取外界的信息。具有觸覺(jué)感知的生物機(jī)器人目前主要關(guān)注物體的表面信息，如形狀、表面紋理以及表面材料的剛度和柔軟度。配備觸覺(jué)傳感器的生物機(jī)器人可以模擬人類(lèi)來(lái)感知物體的表面特征信息，但從材料中獲取表層下信息仍然具有挑戰(zhàn)性。目前對(duì)表層下信息的獲取主要還是來(lái)自于光學(xué)途徑，與人類(lèi)視覺(jué)類(lèi)似，光學(xué)CT可以在透明介質(zhì)下識(shí)別具有不同光學(xué)特征參數(shù)的材料。然而，由于大多數(shù)介質(zhì)的透過(guò)率較低，光學(xué)CT的實(shí)際應(yīng)用存在一定的局限性。作為視覺(jué)的替代或補(bǔ)償，觸覺(jué)可以與生物機(jī)器人兼容，為獲取材料的表層下或內(nèi)部信息提供另一種策略。
圖1 人類(lèi)手指和仿生手指的觸覺(jué)感知機(jī)制
近日，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心陳智明博士、羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)在一種具有觸覺(jué)斷層掃描功能的智能仿生手指研究方面取得重要進(jìn)展。研究人員針對(duì)人類(lèi)手指觸摸軟體材料這一過(guò)程特點(diǎn)，提出了一種配備力反饋系統(tǒng)的仿生手指，其具有獨(dú)特的觸覺(jué)斷層掃描能力。基于碳纖維束的橫向壓敏特性，制備出一種對(duì)力極其敏感的觸覺(jué)傳感器，并圍繞觸覺(jué)傳感器構(gòu)建了一個(gè)手指模型，指尖用于傳感器獲取外界壓力信號(hào)。仿生手指基于觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，可以定量地對(duì)力做出反應(yīng)，使仿生手指能夠感知材料表層下的特征，例如表層下的形態(tài)和不同柔軟程度的內(nèi)部物體。利用仿生手指重建了不同材料的切片圖像，證明了通過(guò)設(shè)置多個(gè)不同閾值可以實(shí)現(xiàn)次表面觸覺(jué)層析成像。這種基于碳纖維束和具備力反饋系統(tǒng)的仿生手指在軟體材料識(shí)別測(cè)試中具有很大的應(yīng)用前景。這一原創(chuàng)性工作及其相關(guān)成果以“A smart bionic finger for subsurface tactile-tomography”為題發(fā)表于著名期刊Cell旗下物質(zhì)科學(xué)子刊Cell Reports Physical Science上。
圖2 智能仿生手指觸覺(jué)反饋系統(tǒng)
圖3 仿生手指的觸覺(jué)感知 (A)、(C)具有表面周期性條紋的剛性和軟材料上掃描的仿生手指示意圖；(B)、(D)剛性和軟材料的三維深度圖和投影圖像；(E)在堅(jiān)硬材料上掃描的仿生手指示意圖，上面覆蓋著一層柔軟的硅膠層，(F)覆蓋有軟硅層的剛性材料的三維深度圖和投影圖像(G)在剛性材料上掃描的仿生手指示意圖，該材料覆蓋了一層柔軟的硅膠層，并填充了四種不同比例的AB膠。(H)用柔軟的硅膠層覆蓋剛性材料，填充20:2、20:1.5、20:1.2四種不同比例AB膠的三維深度圖和投影圖像。
圖4 仿生手指的次表面觸覺(jué)斷層掃描 (A)具有下降階梯表面的剛性材料；(B)帶有軟硅膠層的降階剛性材料；(C)下降階梯物體剖面圖；(D)下行階梯材料掃描區(qū)域。(E - J)閾值為(E) 46， (F) 62， (G) 98， (H) 103， (I) 129， (J) 134 kPa時(shí)，仿生手指掃描降階材料的三維深度圖和投影圖像。
圖5 模擬人體皮膚表層下結(jié)構(gòu)觸覺(jué)層析 (A)正交三層結(jié)構(gòu)的模擬骨架；(B)用軟硅酮層覆蓋的模擬骨架；(C)被軟硅酮層覆蓋的模擬骨架剖面圖；(D)模擬人體掃描區(qū)域；(E, G, I)在閾值為(E) 46， (G) 62，或(I) 134 kPa時(shí)，仿生手指掃描模擬人體的三維深度圖和投影圖像；(F, H, J)閾值(F) 46， (H) 62， (J) 134 kPa下三維相對(duì)位置的深度分布。
圖6 封裝柔性電路系統(tǒng)的次表面觸覺(jué)層析 (A)柔性電路系統(tǒng)的制備過(guò)；(B)封裝柔性電路系統(tǒng)的三維深度圖和投影圖像；(C)三維深度圖的三層圖像。
總結(jié)與展望
該研究工作提出了一個(gè)具有表層下觸覺(jué)斷層掃描能力的智能仿生手指。這種仿生手指配備了一個(gè)集成的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)，使仿生手指能夠?qū)αψ鞒龆康姆磻?yīng)。為仿生手指設(shè)置一系列與力相對(duì)應(yīng)的閾值，以產(chǎn)生一系列逐層的材料內(nèi)部切片圖像，這些切片圖像可以揭示和再現(xiàn)具有柔軟表層的材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種針對(duì)軟體材料表層下的觸覺(jué)掃描通過(guò)重建模擬人體組織和封裝的柔性電路系統(tǒng)表面下的三維輪廓進(jìn)一步得到證明。這種具有表層下觸覺(jué)斷層掃描能力的仿生手指，為人體和柔性電子的無(wú)損檢測(cè)提供了新思路和新方法。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：李逸洲，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院2020級(jí)材料與化工碩士研究生。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
通訊作者：陳智明，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師。2019年畢業(yè)于華南理工大學(xué)獲博士學(xué)位，工作以來(lái)一直從事柔性傳感器的材料開(kāi)發(fā)、器件制備及其應(yīng)用研究。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
A smart bionic finger for subsurface tactile-tomography.
DOI：10.1016/j.xcrp.2023.101257
