传感器测杨氏 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
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。
北京石油化工学院杨丹在锚点自供电柔性压力传感器研究方面取得新进展
在国家留学基金委国家公派出国留学选拔计划、国家自然科学基金面上项目等支持下，北京石油化工学院材料科学与工程学院杨丹副教授在自供电柔性压力传感器研究方面取得新进展，利用摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator，TENG)成功研制出具有宽工作压力范围的自供电柔性压力传感器，基于总结相关研究成果撰写的学术论文“Flexible and wide pressure range triboelectric sensor array for real-time pressure detection and distribution mapping”于10月12日在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上在线刊出。北京石油化工学院为论文第一完成单位，杨丹副教授和重庆大学郭恒宇教授为论文共同第一作者，国际顶尖纳米科学家和能源技术专家、佐治亚理工学院终身教授、欧洲科学院院士和中国科学院外籍院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长王中林先生为通讯作者。
能检测并诊断人体身体健康的可智能穿戴电子设备已经引起了人们的广泛关注，其中能准确测量力的大小及分布对于压力传感器而言至关重要。但基于导电材料传统压力传感器的压力测量范围仅在千帕（kPa）以内，无法对兆帕（MPa）范围内的压力进行测量，因此无法检测人体大幅度范围的运用，例如脚踩踏等。本文作者利用柔性硅橡胶制备了可自供电的压力传感器阵列(Pressure Sensor Array，PSA)，阵列结构单电极模式TENG的输出电压信号由形变诱导静电势变化产生，同时单个TENG的输出电压随外加压力线性变化，被开发用于检测机械运动期间产生的大约1.1MPa的压力大小和分布。此外，可以通过调节阵列结构参数和杨氏模量来调节压力传感器的灵敏度和测量范围。
据了解，杨丹副教授2019年入选国家留学基金委国家公派出国留学选拔计划，2019年8月-2020年9月于佐治亚理工学院访学期间，在王中林院士的指导下，积极努力开展基于TENG和介电弹性体的传感器和驱动器等方面的科研工作。尽管受到新冠肺炎疫情等不利因素的影响，但仍然取得了丰硕成果，访学期间共发表SCI学术论文10篇，其中JCR 1区论文5篇，累计影响因子达74.5。《Journal of Materials Chemistry A》为SCI Q1区期刊，2020年影响因子（IF）为11.301，该文录用刊载从一个侧面表明所制备的具有宽工作压力范围的柔性自供电PSA对于构建未来先进的可穿戴医疗电子设备颇有前景。（通讯员：北京石油化工学院胡芳来稿）
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