研究人員開發(fā)電子皮膚 為機器人和假肢提供觸覺

無線生物信號傳輸領(lǐng)域的研究不再是現(xiàn)代假肢領(lǐng)域的邊緣現(xiàn)象。許多國際研究小組正在研究可能的解決方案，以創(chuàng)建更流暢的人機界面。由MedUni維也納外科部的Oskar Aszmann領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次與商業(yè)合作伙伴Otto Bock Healthcare Products和的一個開發(fā)小組(Alfred Mann Foundation)合作，成功地將三個男性患者的傳感器植入神經(jīng)轉(zhuǎn)移以傳輸生物信號，用于機器人手臂的無線控制。

“經(jīng)過兩年多的觀察，結(jié)果表明，與標準系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)傳輸非?？煽?，使用速度更快更安全，”首席研究員Aszmann表示，他對這個試點項目非常滿意。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在Science Robotics上。

國際研究小組相信，在不久的將來，無線生物信號傳輸系統(tǒng)不僅將用于現(xiàn)代假肢領(lǐng)域，而且還將在許多其他生物技術(shù)領(lǐng)域做出重要貢獻。

“這些患者由于職業(yè)或道路交通事故而患有肘部截肢術(shù)。在這種情況下，他們不僅要用手和手腕取代肌電假體，還要用肘部取代。植入的傳感器傳輸從截肢殘肢到假體的無線肌肉信號，同樣通過假體軸上的磁性線圈進行無線充電，“MedUni維也納外科部的研究作者Stefan Salminger解釋道。

結(jié)合在截肢前負責(zé)手和手臂功能的神經(jīng)的選擇性延伸，這些患者能夠直觀地控制假體。這種可植入技術(shù)尤其可以顯著改善肌肉信號質(zhì)量，尤其是假體控制的可靠性。

獨特的傳感器系統(tǒng)響應(yīng)速度比人類觸覺快1000倍，是電子皮膚最快的速度

使用異步編碼電子皮膚(ACES)，一種由新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員團隊開發(fā)的人工神經(jīng)系統(tǒng)，機器人和假肢裝置可能很快就具有與人類皮膚相當(dāng)或更好的觸感。。

新的電子皮膚系統(tǒng)實現(xiàn)了超高的響應(yīng)性和對損壞的魯棒性，并且可以與任何類型的傳感器皮膚層配對，以有效地用作電子皮膚。

由新加坡國立大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授Benjamin Tee及其團隊實現(xiàn)的創(chuàng)新于2019年7月18日在著名科學(xué)期刊Science Robotics上首次報道。

比人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)更快

“人類利用我們的觸覺來完成幾乎每一項日常任務(wù)，例如拿起一杯咖啡或握手。沒有它，我們甚至?xí)谧呗窌r失去平衡感。同樣，機器人需要有一種感覺觸摸以便與人類更好地互動，但今天的機器人仍然無法很好地感受到物體，“Tee教授Tee教授解釋說，他已經(jīng)從事電子皮膚技術(shù)十多年，希望為機器人和假肢裝置提供更好的觸覺。

從人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)中汲取靈感，新加坡國立大學(xué)團隊花了一年半的時間開發(fā)出一種可能表現(xiàn)更好的傳感器系統(tǒng)。雖然ACES電子神經(jīng)系統(tǒng)檢測到人體傳感器神經(jīng)系統(tǒng)等信號，但它由通過單個電導(dǎo)體連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，與人體皮膚中的神經(jīng)束不同。它也不像現(xiàn)有的電子皮膚，它具有相互連接的布線系統(tǒng)，可以使它們對損壞敏感并且難以按比例放大。

圖片來源：新加坡國立大學(xué)

詳細闡述了靈感，Tee助理教授，他還兼任新加坡國立大學(xué)電氣和計算機工程系，新加坡國立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所(iHealthTech)，N.1健康研究所和混合集成柔性電子系統(tǒng)(HiFES)。程序，說，“人類的感覺神經(jīng)系統(tǒng)是非常有效的，它一直工作到我們經(jīng)常把它視為理所當(dāng)然的程度。它也非常強大的損害。例如，我們的觸覺不會得到如果我們能夠模仿我們的生物系統(tǒng)如何工作并使其更好，我們可以在機器人技術(shù)領(lǐng)域取得巨大進步，其中主要應(yīng)用電子皮膚。“

ACES可以檢測到觸摸的速度比人類感覺神經(jīng)系統(tǒng)快1000倍。例如，它能夠在不到60納秒的時間內(nèi)區(qū)分不同傳感器之間的物理接觸 - 這是電子皮膚技術(shù)實現(xiàn)的最快速度 - 即使有大量傳感器也是如此。ACES啟用的皮膚還可以在10毫秒內(nèi)準確識別物體的形狀，紋理和硬度，比眨眼快10倍。這是通過ACES系統(tǒng)的高保真度和捕獲速度實現(xiàn)的。

ACES平臺還可以設(shè)計為實現(xiàn)對物理損壞的高穩(wěn)健性，這是電子皮膚的重要特性，因為它們經(jīng)常與環(huán)境物理接觸。與用于互連現(xiàn)有電子皮膚中的傳感器的當(dāng)前系統(tǒng)不同，ACES中的所有傳感器可以連接到公共電導(dǎo)體，每個傳感器獨立地操作。只要傳感器和導(dǎo)體之間有一個連接，這樣就可以使ACES電子皮膚繼續(xù)工作，從而減少損壞。

用于機器人和假肢的智能電子皮膚

即使傳感器數(shù)量不斷增加，ACES的簡單布線系統(tǒng)和卓越的響應(yīng)能力也是促進機器人，假肢設(shè)備和其他人機界面中人工智能(AI)應(yīng)用智能電子皮膚擴展的關(guān)鍵特性。

“可伸縮性是一個重要的考慮因素，因為大型高性能電子皮膚需要覆蓋機器人和假肢裝置的相對較大的表面區(qū)域，”Tee助理教授解釋道。“ACES可輕松搭配任何類型的傳感器皮膚層，例如，用于感應(yīng)溫度和濕度的皮膚層，以創(chuàng)建具有卓越觸感的高性能ACES電子皮膚，可用于多種用途，“ 他加了。

例如，最近由Asst Prof Tee團隊開發(fā)的ACES與透明，自我修復(fù)和防水傳感器皮膚層配對，創(chuàng)造出一種可以自我修復(fù)的電子皮膚，就像人體皮膚一樣。這種類型的電子皮膚可以用來開發(fā)更逼真的假肢，幫助殘疾人恢復(fù)他們的觸覺。

其他潛在的應(yīng)用包括開發(fā)更智能的機器人，可以執(zhí)行災(zāi)難恢復(fù)任務(wù)或接管平凡的操作，如倉庫中的物品包裝。因此，國大管理團隊正在尋求在下一階段的研究中將ACES平臺應(yīng)用于先進的機器人和假肢裝置。