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  近日，濟(jì)南大學(xué)王鵬/河北工大孟垂舟等人在《InfoMat》期刊發(fā)表題為“Biomimetic hydrogel-based sensors with dual-mode dynamic-static tactile sensing capability enabling robotic hand for intelligent material recognition”的研究成果。河北工業(yè)大學(xué)呂鈺為論文第一作者，該研究開發(fā)了一種基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS），通過摩擦電傳感和離子超級電容傳感的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對材料類型和軟/硬度的智能識別，準(zhǔn)確率高達(dá)98.5%。

  人類皮膚能夠通過快速適應(yīng)和慢適應(yīng)機(jī)械感受器同時感知動態(tài)與靜態(tài)觸覺信號，而傳統(tǒng)傳感器受限于單一傳感模式，難以實(shí)現(xiàn)類似皮膚的復(fù)雜感知能力。為此，研究團(tuán)隊(duì)受皮膚雙模態(tài)感知機(jī)制啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種集成摩擦電傳感單元和離子超級電容傳感單元的多層水凝膠傳感器，分別獨(dú)立地模擬皮膚對動態(tài)和靜態(tài)觸覺感知能力。將水凝膠傳感器集成于機(jī)械手表面，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對材料類型和物體軟/硬度的識別，為機(jī)器人提供了類皮膚的智能觸覺感知能力。

  圖1展示了基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS）的仿生設(shè)計(jì)靈感概念圖，通過分別實(shí)現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)觸覺感知，模擬人類皮膚的觸覺感知機(jī)制。水凝膠基雙模態(tài)傳感器BHDS由一個用于動態(tài)觸覺檢測的摩擦電單元和一個感知靜態(tài)壓力的離子超級電容單元組成。這種設(shè)計(jì)靈感來源于人類皮膚分別用于感知瞬態(tài)動態(tài)輸入（如輕拍或滑動）、持續(xù)靜態(tài)刺激（如按壓）的快速適應(yīng)和慢速適應(yīng)的機(jī)械感受器。通過多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，裝備了這種仿生水凝膠雙模態(tài)傳感器的機(jī)械手能夠智能識別材料類型和物體硬度水平。

圖1基于仿生水凝膠的雙模態(tài)傳感器（BHDS）的動態(tài)和靜態(tài)觸覺感知模擬人類皮膚的概念圖。（A）傳感器的接收機(jī)制，類似于人類皮膚。（B）集成雙模態(tài)傳感器的智能機(jī)械手利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人類手部通過神經(jīng)元傳遞系統(tǒng)對未知目標(biāo)進(jìn)行觸摸探索。（C）雙模態(tài)傳感器BHDS傳感系統(tǒng)與MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)智能觸覺感知。

圖2水凝膠基傳感器各傳感功能層的制備與表征。（A）GPH 間隔層的制備過程示意圖。（B）摩擦層MGPH上表面金字塔形微結(jié)構(gòu)的照片。（C）SEM 和（D）EDS 圖像：顯示 MGPH 上的層狀 MXene 納米片。GPH、MXene 和 MGPH 的（E） XRD 物相分析；（F）拉曼光譜。（G）由 PGGPH 組成的電極層照片。（H）不同水凝膠的電導(dǎo)率對比：明膠、PVA、GPH 和 PGGPH。（I）GPH 間隔層的照片。（J）不同水凝膠的楊氏模量：明膠、PVA、GPH、MGPH、PGGPH 和 BGPH。（K）離子型 BGPH 層上金字塔形微結(jié)構(gòu)的照片。（L）SEM 圖像和（M）EDS 分析：顯示 BGPH 的微孔結(jié)構(gòu)。

圖3水凝膠傳感器摩擦電傳感單元的傳感機(jī)制與性能表征。單電極式摩擦電傳感單元的（A）工作機(jī)制；（B）COMSOL 原理仿真。水凝膠傳感器摩擦電單元（C）輸出電壓與添加 MXene 含量的關(guān)系；（D）不同表面微結(jié)構(gòu)與（E）不同類型摩擦層的輸出電壓對比；（F）輸出電壓與有效接觸面積的關(guān)系；（G）響應(yīng)電壓波形隨接觸頻率的變化；（H）輸出電壓與接觸壓力的關(guān)系；（I）輸出電荷密度；（J）輸出電荷量；（K）接觸不同摩擦材料的輸出電壓對比；（L）5000 秒內(nèi)的輸出電壓穩(wěn)定性探究。

圖4水凝膠傳感器離子型超級電容單元的傳感機(jī)制與性能表征。水凝膠傳感器離子型超級電容單元的（A）工作機(jī)制；（B）COMSOL 仿真；（C）基于雙電層（EDL）效應(yīng)的等效電路圖；（D）電容變化靈敏度與BMIM-BF₄含量的關(guān)系；（E）電容變化靈敏度隨表面微結(jié)構(gòu)變化的響應(yīng)；（F）靈敏度曲線；（G）響應(yīng)時間和恢復(fù)時間表征；（H）最低檢測限表征；（I）在逐漸遞增的外力作用下電容響應(yīng)變化；（J）在7 天內(nèi) 5000 秒內(nèi)電容響應(yīng)變化的穩(wěn)定性表征。

圖5水凝膠傳感器BHDS的雙模式動/靜態(tài)觸覺感知驗(yàn)證。（A）人類皮膚通過FA 和SA受體實(shí)現(xiàn)自然觸覺傳感機(jī)制的示意圖。（B）水凝膠傳感器BHDS通過摩擦電動態(tài)傳感單元和離子型超級電容靜態(tài)傳感單元模擬生物機(jī)械感受器。（C）集成水凝膠傳感器BDGE的游戲手柄和機(jī)械手照片。水凝膠傳感器的（D）摩擦電傳感單元和（E）離子型超級電容傳感單元分別在單次點(diǎn)擊和雙擊觸摸動作下的輸出信號展示。（F）集成有水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手對花瓶循環(huán)執(zhí)行“接近接觸 - 靜態(tài)按壓 - 釋放離開”動作時的摩擦電和離子型超級電容響應(yīng)。（G）集成水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手對花瓶循環(huán)執(zhí)行“接近接觸 - 抓取握持 - 釋放離開”動作時的摩擦電和離子型超級電容響應(yīng)信號，附實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)拍圖。

圖6集成水凝膠傳感器BHDS的機(jī)械手借助四層MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)材料特性觸覺感知的演示。（A）硬/軟材質(zhì)識別智能傳感系統(tǒng)的概念示意圖。（B）智能識別流程示意圖，包括：（ⅰ）信號生成、（ⅱ）信號采集、（ⅲ）數(shù)據(jù)集構(gòu)建、（ⅳ）數(shù)據(jù)處理、（ⅴ）實(shí)時顯示。（C）摩擦電傳感單元和（D）超級電容傳感單元接觸 8 種不同立方體塊時的響應(yīng)信號。八類立方體塊分類結(jié)果的（E）T-SNE 可視化；（F）混淆矩陣。（G）硬質(zhì)PI立方體塊的識別結(jié)果實(shí)時顯示及對應(yīng)信號波形。

  論文信息

  Biomimetic hydrogel-based sensors with dual-mode dynamic-static tactile sensing capability enabling robotic hand for intelligent material property recognition

  Yu Lv, Zhaolei Ma, Jingle Duan, Guifen Sun, Peng Wang*, Sheng Qu, Feng Liu*, Chuizhou Meng*, Xiujuan Lin*, Teng Liu*, Shijie Guo

  DOI: 10.1002/inf2.70041

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/inf2.70041.

作者介紹

王鵬：濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教師，校聘青年英才崗，研究方向?yàn)槿嵝詡鞲衅?/span>。以第一作者/通訊作者在本領(lǐng)域國內(nèi)外重要期刊Nano Micro Letters、InfoMat、Advanced Fiber Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Sensors 發(fā)表論文37篇（包括19篇中科院一區(qū)Top期刊，2篇ESI前1%高被引文章）；累計(jì)撰寫、申請發(fā)明專利17項(xiàng)，其中5項(xiàng)已授權(quán)，其余均在實(shí)質(zhì)審查中；擔(dān)任Exploration期刊青年編委；中國微米納米學(xué)會高級會員；受邀擔(dān)任國際SCI檢索期刊Nano Energy、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Advanced Materials Interfaces、Measurement等的審稿人；連續(xù)兩年獲得2021年、2022年博士研究生國家獎學(xué)金，2022年獲得天津市創(chuàng)新獎學(xué)金，2023年獲得河北省優(yōu)秀畢業(yè)生，2018年獲得天津市王克昌文化科技獎學(xué)金，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)之星，2022年獲得河北工業(yè)大學(xué)三好學(xué)生榮譽(yù)稱號，連續(xù)兩年獲得2021年、2022年河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院十佳學(xué)術(shù)之星榮譽(yù)稱號；多次參加學(xué)術(shù)會議并做分會場報告。個人主頁：https://faculty.ujn.edu.cn/wangpeng1/zh_CN/index/149227/list.

孟垂舟：河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師。國家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年特聘專家、河北省海外高層次青年人才、河北省僑聯(lián)僑界專家委員會委員。清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位，曾任職美國普渡大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士后研究員、美國IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心高級工程師、新奧集團(tuán)能源研究院石墨烯/儲能/能源新材料等技術(shù)中心主任。長期從事新型納米材料和高分子彈性體的制備研究，以及其在能源轉(zhuǎn)換與存儲、生物醫(yī)學(xué)傳感、柔性電子皮膚、可穿戴健康設(shè)備、和健康護(hù)理裝備上的應(yīng)用開發(fā)。