觸覺感測器現在可以模仿我們皮膚對拉伸和扭曲的檢測

這項技術可用於提高假肢和機器人的功能

一款可拉伸的觸覺感測器，旨在模仿人體皮膚中的結構，不僅可以檢測機械力的強度，還可以檢測其方向（ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn505953t）。這種感測器可以區分剪下力、拉伸力、彎曲力和扭轉力，有望提高假肢和機器人的功能。

韓國蔚山科學技術大學的化學工程師 Hyunhyub Ko 說，人體皮膚是一個絕佳的觸覺感測器。它具有彈性且高度靈敏，能夠感知從微小昆蟲的輕觸到重重一擊的大動態範圍的力。皮膚還可以感知力的方向，從而區分不同型別的力。這種能力幫助我們的大腦做出各種無意識的決定。例如，我們能感覺到物體在手中滑動，從而讓我們的指尖調整施加的壓力以抓住它。感知拉伸有助於我們跟蹤關節的位置和運動。Ko 說，如果觸覺感測器能夠實現這些功能，這些裝置就能提高機器人的協調性和假肢的靈敏度。

為了在人造感測器中獲得方向感應，Ko 參考了人體皮膚的結構。我們的皮膚有兩層相互鎖定的層，外層是表皮，內層是真皮。兩層交匯處微米級的突起有助於放大和轉換從皮膚表面到真皮神經末梢的機械力。Ko 在他的感測器設計中模仿了這些相互鎖定的突起，使用了兩層摻有導電碳奈米管的可拉伸聚二甲基矽氧烷 (PDMS)。他透過將 PDMS 單體和奈米管的混合物倒入模具中，然後固化來製造感測器。每層都有一個 3 微米高、4 微米直徑的微圓頂陣列，這些微圓頂與另一層上的突起相互鎖定。

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Ko 的團隊透過將這種雙層材料的小片組合在一起並在其上施加電壓來製造感測器。奈米管使 PDMS 具有導電性，電流透過互鎖微圓頂之間的接觸點。不同型別的力會改變這些層之間的相互作用方式，進而影響電導率。研究人員可以透過感測器電阻隨時間變化的模式來檢測這些電導率變化。Ko 說：“不同的力——法向力、剪下力、拉伸力或前後彎曲力——會產生不同的電訊號模式。”

為了展示可能性，研究人員使用三乘三的感測器陣列進行了測量，展示了他們如何區分不同型別的力。他們還將感測器貼在肘部、腕部和其他身體部位，以表明他們可以監測關節處的不同運動形式。

韓國成均館大學的化學工程師 Changhyun Pang 也從事觸覺感測器研究，他說互鎖的圓頂使 Ko 的裝置具有檢測獨特型別力的靈敏度，而不僅僅是彎曲、扭曲和剪下。例如，他說，這些裝置可以測量不同強度的氣流或振動。