研究人员设计出受鸭嘴兽启发的仿生多受体皮肤

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尽管工程师在过去几十年中开发出了越来越先进的仿生系统，但这些系统的感知能力通常远不如人类和其他动物的先进。
更复杂的传感器和人造皮肤的设计和制造可以进一步改善这些系统，使它们能够准确地从周围环境中获取广泛的感官信息。
北京纳米能源与纳米系统研究所和清华大学的研究人员最近开发出了一种新型多受体皮肤，这种皮肤的灵感来自鸭嘴兽的感官能力。鸭嘴兽是一种有趣的动物，结合了鸭子、海狸和水獭的一些身体特征。
该团队在《科学进展》中介绍的多受体传感系统可用于增强机器人、触觉和假肢系统的传感能力。
“在一次谈话中，我 9 岁的女儿 Oriana Wei 告诉我她在英国看过的一部鸭嘴兽纪录片，”该论文的主要作者 Di Wei 告诉 Tech Xplore。“她问道：‘你知道鸭嘴兽是一种产卵的哺乳动物，不依靠眼睛捕猎吗？’”
“她的问题激发了我对鸭嘴兽感官能力的好奇心。这种好奇心促使我对鸭嘴兽非凡的感官系统进行了更深入的探索，最终启发了这项研究。”
鸭嘴兽拥有独特的双重感官系统，这使它有别于其他各种水生和卵生动物。这种复杂的感官系统使它能够检测环境中的电气和机械变化，从而增强其在不依赖视觉的情况下发现猎物或潜在威胁的能力。
“我们的目标是在人造皮肤中复制鸭嘴兽的能力，这种人造皮肤结合了触觉和远程感知功能，”魏说。“我们的主要目标是扩展人工系统的感知范围，使机器人能够检测并与周围环境互动，而不完全依赖身体接触。”
“这可以显著增强机器人应用中的交互和控制，克服依赖直接接触才能有效发挥作用的传统触觉传感器的局限性。”
魏教授及其同事开发的鸭嘴兽皮肤设计基于两个关键原理，即接触起电和静电感应。当皮肤接触另一种材料时，两种材料中电子云的重叠会促进电子的转移，最终产生摩擦电。这使皮肤能够感知触觉刺激。
为了从远处收集感官信息（即远程感知），皮肤依靠静电感应。本质上，皮肤所基于的弹性体中纳米粒子的结构掺杂增强了介电极化，使系统能够检测到附近带电物体时电场的变化。
“从组成上看，多受体皮肤采用单电极设计，”魏教授解释道。“它由 PTFE 和 PDMS 薄膜、嵌入无机非金属纳米颗粒以提高介电性能的结构掺杂弹性体、用作电极的银纳米线 (AgNW) 层以及提供灵活性和保护性的 PDMS 封装基板组成。”
魏和他的同事开发的传感系统的主要优势在于其双重传感设计，它模仿了鸭嘴兽的电感受和机械感受能力。这种独特的设计使皮肤能够准确地检测物体并以高灵敏度收集触觉信息，无论是在触摸物体时还是在远处。
魏说：“与通常依靠检测接近度或基本电容变化的传统非接触式或预接触式传感器不同，我们的多受体皮肤通过增强的极化机制提供了一种根本不同的方法。”
“传统系统通常会因电荷相互作用较弱或表面电荷检测而受到灵敏度和精度的限制。我们的系统通过利用结构掺杂弹性体来增强电荷捕获，从而放大局部电场并增强介电极化。”
当与深度学习技术相结合时，该团队受鸭嘴兽启发的皮肤取得了非常有希望的结果，能够以 99.56% 的准确率快速识别材料，并检测远处的物体。
与通常难以调节电荷和检测不同环境中的物体的传统传感系统相比，多受体皮肤可以更好地控制电荷，同时在动态现实环境中保持稳定性。
“我们全面复制了鸭嘴兽的电感受机制，”魏说。“具体来说，我们发现弹性体中纳米粒子的结构掺杂与鸭嘴兽喙上高度有序的电感受器排列相对应。这种独特的设计显著提高了灵敏度，可以精确捕获电荷。
“此外，我们发现多受体皮肤的强电负性与鸭嘴兽的单极性受体相似，实现了类似于其自然系统的动态电荷控制。”
该研究团队设计的皮肤有助于开发能够感知远处物体的新技术，也称为远程感知系统。这些系统可以有广泛的实际应用，从极端气候下的环境监测到人机交互和自主机器人导航。
“从实际角度来看，这种仿生复制的鸭嘴兽双重感知系统——结合了触觉和远程感知——标志着多模态感知的重大进步，”魏说。“这一突破解决了传统非接触式传感器的局限性，使其在具有挑战性的环境中具有更准确、更可靠的性能。”
魏教授及其同事最近的研究成果可能为开发其他依赖双传感设计的传感系统铺平道路。与此同时，研究人员正在努力进一步改进他们的多受体系统，提高其多功能性并促进其大规模部署。
魏说：“我们未来的研究将专注于增强电子受体的能力，不仅通过更深入地整合人工智能，还将通过推进材料创新来扩大电场感应范围和精度。”
“具体来说，我们的目标是提高系统在极端或不可预测环境中的适应性和稳健性。此外，我们将通过整合其他感官方式来改进电子受体，使其能够对更复杂的刺激做出反应并提供更广泛的感知。”
作为下一步研究的一部分，魏和他的同事还将尝试优化系统的数据处理能力，以便能够可靠地处理数据并实时准确地检测物体。这对于需要快速处理传感数据的应用（例如自动驾驶汽车和人机界面）尤其有利。
魏教授补充道：“通过突破远程感知和传感技术的界限，我们还希望扩大皮肤在先进机器人、医疗设备等领域的适用性。”