辨别和定位三维空间中的位置能力对人机界面和机器人感知至关重要。然而，目前的软电子设备仅能通过物理接触获取二维空间位置信息。在本研究中提出了一种具有三维感知能力的透明且薄的软电子皮肤，实现了一种非接触式位置定位概念。
受象鼻鱼主动电感知机制的启发，这种电子皮肤能够以非接触的方式主动感知目标物体的三维位置，并可实时将相应的位置信息无线传输至其他设备。因此，这种电子皮肤能够轻松实现与机器的交互，例如操控虚拟物体、控制机械臂和无人机，无论是在虚拟空间还是实际三维空间中。此外，它还可以集成到机器人中，为其提供三维情境感知能力，从而感知周围环境、避开障碍或追踪目标。
▍研究背景
皮肤作为大多数生物体中最大的器官之一，承担着诸多重要功能，如保护、感知、温度调节、能量储存、营养合成和免疫功能。在自然界中，各种动物的皮肤展现出许多引人入胜的能力。例如，象鼻鱼能够利用电场主动探测猎物，这些鱼通过皮肤不仅可以感知周围环境，还能够对猎物进行三维定位，即使猎物隐藏在泥土中也不例外。
其尾部电器官通过切换离子通道来控制钾离子和钠离子跨细胞膜的迁移，从而使电器官放电并发出电脉冲。这些鱼类的皮肤中有两种类型的管状电感受器，分别检测不同频率和强度的电信号，使它们能够感知周围物体引起的电场畸变，从而定位猎物。
近年来，机器人技术以及VR/AR的快速发展增加了对轻量化、便携式传感器的需求，这些传感器需要具备非接触式精确3D感知能力，以支持各种应用中沉浸式的3D内容。柔性电子学的进步推动了电子皮肤的发展，使其以柔软、薄型的形式存在，能够最大程度地与人类皮肤或机器人表面贴合，实现一体化。研究团队受象鼻鱼启发，研究并设计了一种具有三维感知能力的透明且薄的软电子皮肤，实现了一种非接触式位置定位概念。
▍结构设计
电子皮肤技术的最大特点在于其能够实现非接触式的环境感知，区别于传统的触摸感知系统。研究人员借鉴了象鼻鱼的电感应系统，设计出这款新型电子皮肤。通过优化材料和设备设计，展现出了卓越的性能和多种优势。该电子皮肤由控制电路模块和传感模块两个模块组成，分别用于模拟电器官和电感受器。该系统通过发射电信号进行环境探测，从而启发了电子皮肤的设计。与传统传感器相比，电子皮肤能够通过发射“雷达信号”来主动感知物体位置、形态及其运动轨迹，从而实现高分辨率的三维检测。
发射电极由图案化的生物凝胶制成，嵌入薄型PDMS基底的微通道中，中间层为PDMS作为介电层，其上在微通道中打印了图案化的生物凝胶，用作接收（Rx）电极。整个器件外层包覆一层薄型PDMS。这种生物凝胶可承受超过原长250%的拉伸应变，并与PDMS具有良好的粘附性，其剥离强度为3.45mN/mm，明显高于广泛报道的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶。
为驱动传感模块并无线传输采集信号，团队设计了一种无线柔性驱动电路。该电路生成频率约为100kHz的方波信号用于驱动Tx电极，并通过高精度模数转换器收集Rx电极接收到的信号。微控制单元将数字信号处理后通过低功耗蓝牙传输至其他设备。电路还集成了无线充电和电容触摸按钮等附加功能，提升了使用便利性。PDMS封装电路后具备防水特性，可适应多种环境和应用场景。此外，生物凝胶在低频下的高阻抗、能有效抑制系统中耦合的低频噪声。这一特性使生物凝胶电极的信噪比提高了近10 dB，显著增强了传感器的整体性能。
▍性能优化
为了提高传感器的灵敏度，团队根据平板电容公式优化三个参数，包括电容板的表面积、板间距离以及介电材料的介电常数。
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当Rx电极宽度从28mm减小到8mm时，传感器性能提升了5%，器件性能达到最佳。
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在器件厚度和传感器灵敏度之间，需要权衡找到最佳平衡点。实验表明，优化的板间距离为约0.8mm，可以确保性能与距离之间的平衡。
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当介电常数从2.7降低至1.53时，传感器响应增加了43.3%。表明在某些情况下，可以牺牲透明度或硬度，选择介电常数更低的材料，以进一步减小器件厚度或提高灵敏度。
▍人机交互
控制电路设计采用Microchip的3D传感IC生成Tx驱动信号，同时通过内置的高精度16位ADC采集Rx电极上的信号。默认的传输频率设定为100 kHz；当噪声功率超出阈值时，系统会自动切换频率以减小噪声并增强检测灵敏度。
系统集成了最小二乘多边形定位算法，无需外部计算资源，即可实时将传感器数据转化为三维坐标并通过BLE无线传输到设备。该设备的功耗极低（仅0.37mW），智能节能模式下可运行80小时；持续工作模式下，80 mAh电池可支持约2小时。采样率高达200Hz，可满足标准人机交互需求，响应性更高。
团队展示了用户通过贴附在手臂上的电子皮肤进行人机交互的操作。电子皮肤集成了一个控制模块和一个带有5个传感器的传感模块，整个电子皮肤的重量仅为24g。MCU实时计算指尖三维坐标并通过BLE传输至电脑，实现指尖轨迹的可视化。该轨迹可转换为机器人控制信号，使电子皮肤能够替代传统操纵杆进行机器人控制。
其在170%拉伸状态下，尽管Z轴略有变化，但X和Y轴的空间定位基本保持一致。其非接触传感方法能够穿透书本、衣物等障碍物进行精准定位。例如，插入10张A4纸仅使传感器信号下降0.77%，插入100张则下降25.17%，灵活性与抗干扰能力均优秀。
▍机器人领域应用
电子皮肤的重要应用领域是机器人感知。在该领域，机器人可以配备这种柔性电子皮肤，以展现类似于象鼻鱼皮肤的感知能力。传统橡胶基人造皮肤用于保护机械手指并增加抓取摩擦力，而电子皮肤除了具备这些功能外，还赋予了机器人实时检测目标位置的能力，实时将目标坐标转换为世界坐标，并计算机械臂的运动方向。
通过抓取实验，在分别使用PDMS和电子皮肤的条件下，电子皮肤在操作过程中自动微调手指位置，完成抓取所需时间仅为对照组的一半。这一过程表明，电子皮肤可显著提高机械手的抓取效率和精度。
此外，电子皮肤的透明特性允许其覆盖红外传感器，提供额外的感知功能，同时保护传感器并实现360度目标检测。当目标距离过近进入红外传感器盲区时，电子皮肤可在1cm范围内实现高精度检测，将远程检测与无盲区近距离检测结合，提高整体性能。
▍未来发展
本研究提出了一种仿象鼻鱼的新型无线、柔性和透明的电子皮肤，能够实现非接触式、高精度的三维运动检测，克服了传统传感器依赖物理接触、难以高效集成机器人系统及处理系统体积过大的问题。其具有广阔的应用潜力，可在机器人、医疗、VR/AR等领域发挥作用。
尽管电子皮肤技术已经在多个领域展现了强大的应用潜力，但其发展仍然面临一些挑战。目前电子皮肤主要用于单点感知，如何扩展到多指触觉感知，提升其在复杂环境下的任务执行能力，仍然是一个亟待解决的问题。此外，尽管电子皮肤在常规环境下表现出色，但在极端环境（如高温、高湿、强电磁干扰等）下的性能稳定性仍需进一步提升。
来源： 达奇月泉仿生科技
（文：机器人大讲堂）