朱向阳、谷国迎在高灵敏柔性离子凝胶压感皮肤研究上取得新进展

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近日，上海交大机械与动力工程学院机器人研究所朱向阳教授、谷国迎教授团队联合美国卡耐基梅隆大学的Carmel Majidi教授在Advanced Materials期刊上提出了一种高灵敏的柔性离子凝胶压感皮肤，利用超高电容机理，实现了超宽的压力检测范围、快速响应时间、高电容基线（nF-μF级）和高信噪比，在生理信号监测、多点传感阵列、残疾人软体假肢手触觉反馈等领域取得了实际应用。论文“Cutaneous Ionogel Mechanoreceptors for Soft Machines, Physiological Sensing, and Amputee Prostheses” 第一作者是机器人研究所博士研究生沈泽群。
        设计触觉电子皮肤以模仿人类皮肤的功能和性能一直以来是一项重要的挑战。近年来，研究人员基于不同材料体系和传感机理研发了一系列压敏触觉传感器件。然而，这些传感器容易受到外界噪声的干扰，在与机器人系统集成时面临的非结构化的动态环境中难以展现理想的传感性能。

        本研究设计的压力传感器主要由离子导电的水凝胶和导电金属织布组成，与传统的pF级平行板电容压力传感机理不同，该器件采用了新型的超高电容机理，将平行板电容中间绝缘的介电层替换为离子导电的水凝胶层，水凝胶与金属电极在界面处形成了双电层，金属电极表面的正负电荷分别吸引水凝胶中相反极性的离子，在界面处大量微观的离子-电子对形成微电容，由于其间隙由毫米级降低至纳米级，其电容值显著增强，在宏观上形成了nF至μF级的超高单位面积电容。
         新型超高电容压力传感器具有理想的传感性能，其灵敏度高出传统器件44倍。电容值高出传统器件约3-5个量级。它具有超宽的压力测试范围，最高可达330 kPa，同时最低检测极限为35 Pa；具有快速响应时间为18 ms，快于人体皮肤40 ms的响应时间；循环加载下能保持稳定性以及在较高压力下仍具有高分辨率。
        该压力传感器可以作为可穿戴电子皮肤应用。类似于人体皮肤，该电子皮肤可以区分不同的压力范围，并具有对瞬时压力刺激的检测能力。单个传感单元可以扩展为多点传感阵列，传感阵列还具有同时识别多点压力的能力。
        压感皮肤还可与软体仿生手集成，使仿生手可以检测微小物体的放置。超灵敏的压感皮肤还具有动态检测能力，可以实时控制工业机械臂的运动。在此基础上，研究进一步设计了具有触觉反馈的软体机器人系统，使上肢截肢的残疾受试者使用肌电信号控制具有传感功能的软体假肢手，研究证明压感触觉皮肤可以使佩戴假肢手的残疾人具有分辨不同尖锐程度物体的能力。
        研究工作得到了国家自然科学基金，上海市科委“科技创新行动计划”项目和上海交通大学创新基金的资助。
        论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202102069


       文章来源：上海交通大学
      朱向阳，1966年生，国家杰出青年科学基金获得者。1992年于东南大学控制理论及应用专业获博士学位。1993至1994年在华中理工大学从事博士后研究。2002年起任上海交通大学机械与动力工程学院教授、博士生导师。现任上海交通大学机械与动力工程学院教授、博士生导师。
       谷国迎，上海交通大学，教授，博士生导师，入选教育部青年长江学者、国家优青、德国洪堡学者。主要从事机器人学与软体机器人技术研究。主持国家自然科学基金、上海市科委基础重点等项目十余项，在Science Robotics、Science Advances、IEEE会刊、Advanced Functional Materials、Soft Robotics等发表论文80余篇，SCI收录60篇（ESI高被引论文4篇、热点论文1篇）；授权发明专利12项。获教育部自然科学奖一等奖1项（排名2），获2019 Advanced Robotics期刊最佳论文奖、国际会议IEEE-ICIA 2011和ICIRA 2016最佳论文奖等。担任中国机械工程学会机器人分会委员、副总干事，中国自动化学会机器人专业委员会委员；IEEE Transactions on Robotics副编辑、Advanced Intelligent Systems国际顾问委员会成员、International Journal of Advanced Robotic Systems编委、Frontiers in Robotics and AI专题编辑，2017年第三届软体机器人理论与技术国际研讨会会议主席等。

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