第一作者：Jingkun Zhou，Jian Li，Huiling Jia，Kuanming Yao

通訊作者：Xinge Yu

通訊單位：香港城市大學(xué)

DOI:10.1038/s41467-024-54249-3

皮膚是大多數(shù)生物物種最大的器官之一，具有多種基本功能，如保護(hù)、感覺、調(diào)節(jié)溫度、儲(chǔ)存能量、營(yíng)養(yǎng)合成和免疫。在自然界中，各種動(dòng)物的皮膚都具有許多令人著迷的能力。象鼻魚是弱電魚的一個(gè)超家族，能夠利用電場(chǎng)主動(dòng)探測(cè)獵物。通過皮膚，它們可以感知周圍環(huán)境，并對(duì)獵物進(jìn)行三維 (3D) 定位，即使獵物隱藏在泥漿下。

近年來，機(jī)器人技術(shù)和虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (VR/AR) 的快速發(fā)展導(dǎo)致對(duì)輕便、便攜式傳感器的需求增加，這些傳感器能夠以非接觸方式精確感知 3D，以便在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)沉浸式 3D 內(nèi)容。柔性電子技術(shù)的進(jìn)步使得電子皮膚 (E-skin) 能夠以薄而軟的形式開發(fā)出來，從而最大限度地與人體皮膚或機(jī)器人相符，實(shí)現(xiàn)共形集成。這一重大進(jìn)展不僅為電子皮膚實(shí)現(xiàn)觸覺/反饋的人機(jī)界面 (HMI)開辟了新的可能性，還為持續(xù)健康監(jiān)測(cè)開辟了新的可能性，例如心電圖 (ECG)、汗液和其他生理信號(hào)。然而，現(xiàn)有的電子皮膚面臨幾個(gè)限制：(i) 手勢(shì)識(shí)別能力有限，因?yàn)樵O(shè)備基于慣性傳感器、應(yīng)變傳感器、超聲波或心電圖 (EMG) 信號(hào)，只能識(shí)別少數(shù)特定手勢(shì)；(ii) 通常涉及龐大的處理系統(tǒng)，因?yàn)樽钕冗M(jìn)的技術(shù)基于成像器、磁場(chǎng)、射頻或靜電理論。

具有主動(dòng)感知能力的象鼻魚皮膚可能為新型電子皮膚提供良好的啟發(fā)，該電子皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式、高集成度的精確三維空間定位，這是一個(gè)尚未探索的課題。象鼻魚尾部的發(fā)電器官通過切換離子通道來控制鉀離子和鈉離子跨細(xì)胞膜的遷移，從而使發(fā)電器官放電并發(fā)出電脈沖。具體來說，象鼻魚有兩種類型的結(jié)節(jié)性電感受器，即象鼻魚桅桿和諾倫器官，它們可以檢測(cè)不同頻率和強(qiáng)度的電信號(hào)。因此，它們可以感知周圍物體引起的電場(chǎng)扭曲，從而瞄準(zhǔn)獵物。

1. 本工作報(bào)告了一種非接觸式位置定位概念，該概念由具有三維傳感能力的透明薄軟電子皮膚 (E-skin) 實(shí)現(xiàn)

2. 受象鼻魚主動(dòng)電感應(yīng)的啟發(fā)，這種電子皮膚可以以非接觸方式主動(dòng)確定目標(biāo)物體的 3D 位置，并可以實(shí)時(shí)將相應(yīng)位置無線傳送到其他設(shè)備。

3. 這種電子皮膚可以輕松實(shí)現(xiàn)與機(jī)器的交互，即在虛擬或?qū)嶋H的 3D 空間中操縱虛擬物體、控制機(jī)械臂和無人機(jī)。

4. 它可以與機(jī)器人集成，為它們提供 3D 態(tài)勢(shì)感知，以感知周圍環(huán)境、避開障礙物或跟蹤目標(biāo)。

圖1. 仿生透明電子皮膚。

a 象鼻魚使用其電器官和電感受器來檢測(cè)獵物。b電動(dòng)琴的工作機(jī)構(gòu)。c 象鼻魚的兩種類型的結(jié)節(jié)性電感受器，壺腹器官（左）和球狀器官（右）。d 使用電子皮膚檢測(cè)目標(biāo)的機(jī)器人示意圖。e 發(fā)射電極的工作機(jī)制。f 接收電極的工作機(jī)制。g 傳感器的光學(xué)照片展示了其柔韌性、薄度和柔軟性、拉伸性和透明度。h 帶有離散傳感器的設(shè)備的光學(xué)照片。

圖2. 電子皮膚的特點(diǎn)。

a E-skin 傳感器模塊的分解示意圖。Rx，接收器；Tx，發(fā)射機(jī)。b E-skin控制電路模塊的分解示意圖。ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器。c 模擬目標(biāo)對(duì)靜電場(chǎng)的影響。d E-skin 的等效電路模型。e Tx 電極發(fā)射的信號(hào)和 Rx 電極接收的信號(hào)。f CHand 和 VO 在手指和傳感器之間的不同距離處。g 距傳感器不同距離處傳感器的 SNR。h 待優(yōu)化參數(shù)示意圖。(i) 具有不同電極設(shè)計(jì)的傳感器的響應(yīng)和 j 靈敏度，以及優(yōu)化電極的結(jié)果。條形高度，平均值；誤差線，s.d.；n?=?5個(gè)獨(dú)立樣本。k 皮膚和兩種屏蔽方案對(duì)傳感器性能的影響。l 傳感器在400-1000 nm波長(zhǎng)下的透過率，8800次折疊和展開時(shí)的電容變化以及100點(diǎn)移動(dòng)平均曲線以查看整體變化趨勢(shì)。

圖3. 非接觸式人機(jī)界面。

a 手臂上佩戴的電子皮膚的照片。b 整個(gè)電子皮膚和右側(cè)電極圖案的照片。c 使用電子皮膚的人機(jī)交互流程圖。d 使用E-skin控制機(jī)械臂向右運(yùn)動(dòng)以及E-skin收集的數(shù)據(jù)照片。e 使用電子皮膚控制無人機(jī)向上飛行。f 即使有障礙物遮擋，電子皮膚也能正常工作。g 在空中寫下“CITYU”五個(gè)字母、五個(gè)Rx電極接收到的原始數(shù)據(jù)以及算法計(jì)算出的圖像。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

圖4. 機(jī)器人傳感。

a 用于機(jī)器人感知的電子皮膚示意圖。b 在無人機(jī)上安裝電子皮膚以避障的照片。c 無人機(jī)避障原理示意圖。d 無人機(jī)避障照片及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。e 在機(jī)械臂上安裝電子皮膚以進(jìn)行物體跟蹤的照片。f 用于目標(biāo)跟蹤的機(jī)械手流程圖。g 機(jī)械手執(zhí)行目標(biāo)跟蹤的照片以及機(jī)械手在空間中的 3D 坐標(biāo)。

圖5. 使用機(jī)械臂抓取目標(biāo)的演示。

a 操作員通過觀看屏幕上的流媒體視頻遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂，在沒有電子皮膚輔助的情況下，操作員僅依靠視頻分析來確定機(jī)械臂的位置，需要嘗試三次才能成功抓住橙子；b 在電子皮膚輔助下，當(dāng)操作員按下抓取按鈕時(shí)，機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)微調(diào)其位置，將物體對(duì)準(zhǔn)兩根手指的中心，然后再繼續(xù)抓取過程。c 通過將紅外傳感器和電子皮膚集成到機(jī)器人手的手指上，電子皮膚充當(dāng)靈活的界面，具有增強(qiáng)的摩擦力和傳感能力，彌補(bǔ)了紅外傳感器的局限性。右側(cè)顯示機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的紅外傳感器和電子皮膚數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，電子皮膚可以檢測(cè)周圍區(qū)域的物體，并且近距離無盲區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)與目標(biāo)物體的精確距離檢測(cè)。源數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)文件提供。

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