首创混合响应柔性压力传感器，为人把脉，将为机器人打造人类触觉

现任德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）天普基金会特聘终身教授的鲁南姝认为，人类科技的发展趋势一定是机器越来越像人，人越来越像机器。“人工智能时代，人机融合具有必然性，否则将与时代脱节” SpaceX CEO 伊隆·马斯克在 2017 年世界政府峰会上的发言令鲁南姝印象深刻。

（来源：Pixabay）

近年来，柔性可穿戴设备在监测人体生物信号方面的研究取得长足进步，使用柔性贴片随时随地监测血压、脉搏指日可待。然而，现有可穿戴压力传感器存在一个大问题：高灵敏度与宽域工作范围无法兼得。即使是非常轻微的压力，都会使传感器的灵敏度大幅下降。

“柔性压力传感器赛道非常拥挤，经过二十年的发展，研究遇到瓶颈，因为仍然没有很好的办法能够解决压力和灵敏度之间的矛盾，”鲁南姝说。

近期，鲁南姝带领的团队通过创新有史以来第一个混合传感器方法来填补这一空白，“这是第一个利用压阻-压容混合响应来承受压力而不显著降低灵敏度的传感器。”她向 DeepTech 表示。

首次将电容与电阻结合，平衡压力宽域与灵敏程度

鲁南姝课题组发明的“复合响应”压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）近期在 Advanced Materials 上发表。

通过导电的多孔状微结构与超薄绝缘层的结合，研究员们首次发现分布式压电电阻和压电电容的混合响应能够使得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽域工作范围。小至一种果蝇的重量（0.07 pa），大到人脚踏步所产生的压力（125 kPa），都可以被灵敏地感应到。

图 | “复合响应” 压力传感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）

据介绍，该传感器是由一种超高孔隙率的导电纳米复合材料（porous nanocomposite, PNC），超薄绝缘层（PMMA）以及 Au/PI 电极复合而成。其中，多孔纳米复合材料（PNC）由碳纳米管（carbon nanotube, CNT）掺杂的 Ecoflex 硅胶构成。

图 | 复合响应压力传感器 HRPS 应用演示。

为了展示传感器对微小压力信号的灵敏程度，研究人员测量了一只仅有 0.7 毫克重的果蝇、传感器上方 3 cm 处的鼓风机吹出的气流、三个连续降落的水滴，以及人体颈动脉和颞动脉的脉搏跳动。

实验结果显示，HRPS 对果蝇自重带来的仅有 0.07 Pa 的压力，以及微小气流、水滴滴落时引起的压力响应准确且迅速，响应时间仅为 94 毫秒。

在健康监测方面，鲁南姝课题组的成员此次将柔软、轻薄的 HRPS 贴附在受试者颈动脉，可清晰探测到脉搏波动。颈动脉和额颞动脉属于细微搏动，其测量对设备的灵敏度要求极高。

哪怕事先在传感器上施加额外压力，比如为受试者戴上虚拟现实（VR）头盔，对 HRPS 产生了 8 kPa 的预压力，颞动脉搏动信号仍然能够被清晰测得。

“这是颞动脉搏动信号首次由电容式压力传感器无创地测量得到。” 鲁南姝说道。

在对高压力的测量中，HRPS 也表现出良好的灵敏度。论文的补充视频中，小组成员将 HRPS 贴在一位体重为 80 kg 的受试者的脚掌上，测量其在瑜伽垫上行走产生的压强，最终测量的最大记录值为 125 kPa ，这一数字与此前其他研究测得人脚行走产生的压强一致。

此次研究主要展示了 HRPS 在人体健康监测上的应用，除此之外，鲁南姝对他们研制的柔性传感器还有更宏伟的愿景。她正在研究如何将这种柔性传感器包裹在其他柔软物体上（如机器人手），使其具有人类皮肤的敏感性。通过模拟人类真实的触感，让机器人拥有通过触摸来识别物体的能力。

从电子纹身到电子皮肤，人与机器如何向彼此靠近？

2012 年，鲁南殊凭借“电子纹身”的发明入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”全球区域的榜单评选。

传统的智能穿戴设备体积较大，携带不便，穿戴舒适度欠佳。而“电子纹身”（Electronic Tattoo or E-Tattoo）具有无创、轻薄以及极佳的形变能力，并将心电，肌电，脑电等多种身体信息传输到手机、电脑等终端。这种一次性电子贴片在医疗或人机交互领域都具有极大的市场前景，被认为是“可穿戴设备的终极传感器形态”。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

鲁南姝曾于清华大学和哈佛大学分别取得了学士学位和博士学位，后来在伊利诺伊大学香槟分校以贝克曼博士后研究员身份开展工作。她的研究领域涉及柔性电子的力学、材料、制造和人体集成等多个方向。

当下，鲁南姝从两方面来建构自己的科研大厦，一是电子纹身（E-tattoo），轻薄、柔软的特性使其能够良好贴合人体皮肤，捕捉生物信号，传感人类的生命体征。人体是一种模拟生物信号系统，而机器和电子世界则是数字的。因此若想实现人机交互，人需要“数字化”，“电子纹身”被认为是人类“数字化”的有效途径之一。

图 | 多层、模块化“电子纹身”可实现无线充电和无线数据传输

另一个是电子皮肤（E-skin），通过柔性压力、温度等传感器，让软机器人拥有类似于人类皮肤的敏感性，赋予其生动的触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉等感知能力。此次发表的研究便是一种新型的混合相应电子皮肤，拓宽传感器的压力工作范围，并保持触觉灵敏度。

鲁南姝的终极目标是能够完成人机交互的闭环：人体通过电子纹身实现与数字世界的链接，机器人则通过电子皮肤模拟人类感知环境。因此，她的团队一直围绕 “柔性生物电子系统” 在以下四个方面展开研究：

第一是柔性/可拉伸结结构力学研究。如被动型和主动型（压电）蜿蜒带状结构的变形机理以及由于多层柔性电子的层间杨氏模量失配导致的上下层弯曲解耦。

第二是二维材料和纳米材料，包括石墨烯电子纹身（Graphene E-Tattoo or GET），二维材料形成的纳米气泡和纳米帐篷机理，以及 PNC。

第三是制备工艺和转印技术，包括无线电子纹身的“切割—焊接—粘贴” 工艺和水辅助转印。

第四是生物-电子界面，包括器件与不平生物组织表面的共形机理，受剪纸启发的可共形人造视网膜，以及表面凹坑阵列带来的稳定且可重复使用的干性粘结界面。

人机交互，开启智慧养老时代

在问到自己最期待的应用场景时，鲁南姝说道：“我个人偏向于医疗方向的应用，尤其是养老”谈到养老问题时，她有些许的动容，并用到“鞭长莫及”来形容。

鲁南姝的奶奶、外公、外婆已年近百岁，但她长期在国外，受疫情的影响无法随时回到国内照顾家中的父母与老人。通过电子纹身实时监测老人活动与健康，通过机器人护工弥补有的巨大缺口和市场的养老问题，是鲁南姝所期待的未来，“在欠发达地区，护工非常缺乏，有能力且温柔的护工更是。为机器人制作电子皮肤，让其拥有匹敌人类的温柔与触感，将能很大程度上缓解这类职业缺口。”被问及人工智能取代人类工作的问题时，鲁南姝说：“人类情感交流不可替代，但事务性工作可以。”

（来源：Pixabay）

中社科院老年研究所估计，中国养老市场的商机约 4 万亿元，到 2030 年有望增至 13 万亿元。“养老服务业在凸显出民生事业特征的同时也彰显出其作为朝阳产业的巨大吸引力。”

第7次人口普查数据显示，我国 65 岁以上的老龄人口达到 1.9 亿人，占比达 13.5%，中国正在加速进入老龄化社会。传统养老模式已无法全盘适应当前需求，通过科技手段寻求新型多元复合治理方案解决老年人多层次需求成为必然趋势，鲁南姝以及其他科研人员的研究，将会是未来“智慧养老”图景不可或缺的一小片拼图。

平凡的力量 基建狂魔的“底气”

“基建狂魔”“中国速度”……在一个个称号背后，是中国基建发展的蓬勃力量，是一批批能工巧匠的艰苦奋斗，是平地起高楼的奇思妙想，是化腐朽为神奇的灵机一动。

这些一线工作中的创新，不仅节省了大量人力、物力，完善并夯实了我们每一步向上的台阶，也创造了大国基建非凡的影响力，使我们有动力、有能力持续发展，向更高更强的境地进发。

“魔幻43小时”的背后故事

43小时完成三元桥的整体置换，这是近年来第一个“火出圈”的基建项目，“旧桥变新桥”的延时摄影视频在网上火速升温，海外的播放量超过120万，此后，类似的工程不断被发掘出，大国基建成为无数国人的骄傲。

这次近乎完美的“换梁疗伤”背后，是北京市政路桥养护集团43天、43个月、十几年的信息化建设。在工程开始之前，养护集团已经用多维平台将整个工程的所有环节全部进行分拆、组合，给全部参与的工人进行了无数次三维动画演示，让所有人对每个工程细节都熟知在心后，才有了魔幻般的43小时。

虽然“收割”了无数网友的膝盖，但还是给一手打造多维平台的北京市劳动模范、养护集团科技检测处党支部书记刘旎留下了一点儿遗憾，“提前演示的时候，是要将这一段道路拆除后整体驮运走，不影响铺装新路。但真正施工的时候，发现旧梁不能再用，只能就地切割。我们在进行多维展示的时候，没有预想到这个变数，预案制订得还不够完善。”

“力求完美、探索极限”就是刘旎一直的追求，也是他从无到有地实现了养护集团道路信息化建设。从2003年开始，刘旎开发出了一个养护信息系统，录入了历年收集的养护集团负责管养的道路、桥梁的信息，包括道路历次养护的检查记录、年度普查的病害和缺陷的数据、道路下管线分布等情况。将这些信息全部录入，给一线的工人提供了每段道路、每座桥的“病例档案”，对每段道路进行安全评价，工人每次巡查时都能够有计划、有针对性地进行重点备料检查。“根据每年底的能源审计报表，从2005年这个系统开始运行后直到现在，每年都会给集团节省800万元的能源开销。”

2010年，刘旎在这个系统的基础上又开发出了数据承载平台，并且研发出了数据采集车，因为刘旎认为平台只是一个应用系统，更重要的还是要有数据，“没有数据就没有灵魂。”刘旎研发的数据采集车，集全景相机、激光器、GPS等多种传感器于一体，相对精度在0.1米之内，绝对精度在0.5米之内，街景全景影像分辨率不低于300万像素，可以360度无死角拍摄道路周围及地面的无遮挡地物。

经过两年多的融合和完善，储备了足够的数据之后，刘旎带领团队开始建设道路设施多维平台。“形象点说，就是静态地图上覆盖上卫星影像图，再盖上一层三维影像图，我们集团负责的北京市近8000公里的道路，3171座桥隧，几乎每一米都有一个‘点云’，你点开任何一个点，都能看到上述的所有信息。这样在任何一个点上施工，就不需要再去调档案了。”

治水能手王佳伟

打造污水处理的智慧工厂

污水处理是绿色发展中必须解决的难题，也是王佳伟的多年努力的领域。一身白大褂，一排实验瓶，这是王佳伟工作的日常。18年里，经过生产一线的充分锻炼，王佳伟提出了建设“全国水环境科创中心”、北京方庄“未来水厂”等具体实施规划方案，完成了一批科技项目，成为北京污水处理行业里一名技术能手，还在2020年荣获“全国劳动模范”荣誉称号。

初进排水集团，王佳伟遇到的第一个科研项目就是“沼气脱硫”。“北京是典型的资源型缺水城市，将污水资源化是解决城市缺水至关重要的手段。必须解决的难题就是如何避免再生水回补至河湖时，现水体富营养化，提升河湖水质。”王佳伟说，当时毕竟先进的技术就是是做厌氧消化，但过程中会产生有毒有害气体，“排水集团是北京第一家采用厌氧消化处理污水的大规模排水企业，没有经验可供借鉴，所以集团专门成立了沼气脱硫课题组，给出的实验时间是4个月。”

时值酷暑。全副武装的王佳伟白天跟同事们一起在现场做实验，一次、两次、一百次……晚上，又进入实验室检测分析数据。经过大家不懈努力，2003年11月10日，实验终于取得了稳定成果，排水集团建成了自主研发的第一个沼气脱硫装置，这项技术研发成功地每年为企业节省成本500多万元，也开启了王佳伟将污水资源化的新征程。

“工人更关注实际操作方便、指令准确这些非常具体的东西。”王佳伟又开发了前馈模型和反馈调节相结合的优化控制技术，并进行信息化，形成了具有污水处理行业特色的污水处理厂动态调度控制系统，这也是国内首次实现污水处理技术从单一污染物减排到多元综合利用的转变。

“不去干，问题永远在面前，每一个问题，都是我们努力的方向。”这是王佳伟的工作心得，也是他对自己的要求。目前他的主攻方向又盯在了国际上正处于研究前沿的正渗透膜分离技术，这项技术可以将污水中的污染物直接分离，不仅易于精确控制、显著减少占地，还能完全开发污水中潜在的能源：“还是想把再生水厂做得更智慧一些，向资源化、生态化的方向发展。比如把产生的沼气用于发电，把处理过的有成分标准的污泥回到生态环境中进行土地修复，用于沙荒地改良，园林绿化。”

环卫“鲁班”刘新光

打造趁手工具的发明达人

不管是大国基建，还是绿色发展，其实都离不开“趁手”的工具，就像古人告诉我们的，“工欲善其事必先利其器”。北京环雅丽都投资有限公司西城第六环卫分公司维修班班长刘新光就是一个精于改进各类工具的发明达人。

六分公司负责西城辖区内65个清洁站，每个转运站都会有一个地漏跟附近的地井连接。在进行垃圾处理、清洁时，会有泥沙被排到下水管道中，造成管道堵塞。“地井两米多深，密闭空间里是不让非专业人员下去的，所以我们只能尽量清理管道。”因为与地井相连接的管道全在地下，而且都是弯管，用疏通机做疏通的时候，疏通管簧不能准确进入污水管道口，虽然可以使用大功率吹风机将管道内堵塞的杂物“吹”进地井，但不能解决根本问题。

虽然考虑经济成本并不是维修工的工作职责，但刘新光主动想办法解决这个难题。他先是用1寸半的镀锌管和钢筋棍焊接做了一个辅助工具，可以固定疏通管簧准确进入污水管口内，但受到垂直距离的影响，疏通管簧进行深入清淤时很难受力，疏通效果不好。刘新光又找来了一根一米长的橡胶管，用水管卡子和镀锌管连接，从而形成活弯。橡胶管的另一头用线卡子连接一根绳子。这样在疏通作业中，一人将疏通管簧插入辅助工具镀锌管中放入井内插入污水口，一人手提着绳子调节橡胶管的角度，不仅能把疏通管簧可以顺畅地插入污水口管道，还能避免职工近距离接触吸入沼气等有毒气体造成伤害。

因为经常进车，清洁站地面的地砖常有破损，一两块砖碎了，影响行车，但又不能大面积更换。刘新光用几个自来水管、小铁皮和大螺栓改装成了一个工具，两侧的磨薄的铁板可以插进地砖两侧缝隙，连接的几根钢管上焊有螺丝，不光可以变化长度，还可以两头加力，下面可以放千斤顶，通过上下合力，就能轻松地将破损的单片瓷砖从水泥里“拔出来”。

这个工具看上去并不复杂，但非常实用，刘新光已经使用了一年多，还没有名字。“要不就叫拔砖器？我做这些小东西，其实都是平时工作所需，为的就是让大家在干活的时候更安全、更省劲儿，真没想过给起名。”与能让工作更有效、更安全相比，刘新光并不在意自己的“小发明”是否可以申请专利，“我们环卫队里，比我苦比我累的人有的是，干一行爱一行，不管干啥，咱都得爱岗敬业就对了。”

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