生物系統為最先進的仿生電子學提供了理想的模板，典型的有仿人機器人、 人工受體、 執行器和假肢。類似于皮膚的機械感受器，對周圍環境的機械刺激有高度反應的觸覺傳感器已被部署在自主設備、人機界面（HMI）和虛擬/增強現實的各種應用中。然而，觸覺傳感器只有在被物理觸摸或侵入時才會工作，但對預先接觸的刺激卻沒有反應。因此，開發能夠探測近端預接觸事件的先進傳感器是至關重要的，這需要開發超越接觸模式范式的可靠傳感系統。然而，接觸前探測仍然具有挑戰性，因為它涉及到需要在實際距離內準確檢測的微弱信號。以前的工作已經證明了基于光感元件、電磁技術或超聲波傳感器的預接觸或非接觸檢測。這些策略通常依賴于感知紅外輻射或可見光譜，而它們受到環境參數的嚴重影響，如環境光、 天氣變化和溫度。此外，隨著軟體機器人和可拉伸電子器件（28）的發展，未來的非接觸式傳感器或界面也需要有足夠的靈活性或可拉伸性。

研究成果

人工觸覺傳感器構成了基于觸摸的人機界面應用的基礎。然而，在物理接觸之前，它們無法對遠程事件作出反應。一些魚類，如鯊魚，使用電接收體感系統進行遠程環境感知。受這種能力的啟發，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、蒲雄研究員團隊設計了一種軟體人工電感受器，用于感知接近的目標。該電感受器由一個彈性駐極體促成，能夠將環境預接觸信息編碼為一系列電壓脈沖，作為獨特的預接觸人類界面。電感受器的應用被展示在一個預先警告系統、機器人控制、游戲操作和三維物體識別中。這些感知近端預接觸事件的能力可以豐富人機界面電子的功能和應用。相關研究以“Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation”為題發表在Science Advances期刊上。

研究亮點

1. 受鯊魚電感系統的啟發，使用耐用和生物兼容的部件設計了一個靈活的透明人工電感受器。該電感受器采用單電極配置，其結構包括一層帶熱電的彈性駐極體，一層作為離子電極的導電有機水凝膠，以及一層封裝的硅膠基質PDMS。2. 在此基礎上，多功能的無接觸式人機界面被設計成可以確定目標的方向，操縱機器人手臂，并成功地玩電腦游戲。在機器學習算法的輔助下，它還證明了人工電感受器矩陣在區分目標的表面輪廓方面的可行性。3. 這項工作為使用軟性設備的復雜和多維環境感知提供了見解，可能在可穿戴設備、軟性機器人、智能假肢、增強現實等方面找到廣泛的應用。

Fig. 1. Bioinspired soft electroreceptor.

Fig. 2. The characteristics of the electroreceptor for precontact sensing.

Fig. 3. Noncontact HMIs based on the electroreceptor.

Fig. 4. Bioinspired electroreceptor matrix for artificial proximal somatosensory system.

總結與展望

對更多功能的人機互動的要求需要超越傳統的直接接觸模式的感應系統。作者從鯊魚的電接收策略中獲得初步靈感，制造了一個可拉伸的透明人工電感受器，通過檢測它們自然攜帶的電荷來感知接近的目標。人工電感受器能夠將環境預接觸信息編碼為電壓脈沖，各種類型的目標，包括金屬、玻璃、塑料、聚合物和天然材料，都能被成功感應到。然后開發了沒有物理接觸的人機界面，以展示各種應用，包括感知接近的目標，操縱機器人手臂，以及玩電腦游戲。結合機器學習算法，還展示了使用電感受器矩陣構建人工近端體感系統進行三維物體識別的可行性。

與最先進的非接觸式傳感器，如激光、射頻和超聲波傳感器相比，該電感受器在距離感應精度方面可能存在缺陷;而在縮短距離時，電感受器的反應更靈敏，這可能是有利的，因為短距離精度可能是激光或超聲波傳感器的一個限制。此外，這些獨特的優勢將使我們的電感受器在某些應用中更有競爭力，包括（i）由于使用了彈性體和水凝膠材料，它具有內在的柔軟性、可伸展性、透明度和生物相容性；（ii）傳感器的功耗可以忽略不計，因為它自己會從運動中產生電壓信號；以及（iii） 適用于各種材料，盡管它是透明的、導電的、磁性的或不是。因此，提出的用軟性設備實現電感知的策略被認為可以豐富感知的維度，設想超越接觸模式范式的人機交互電子裝置將成為主流的交互手段，特別是在這個COVID-19大流行中。

文獻鏈接

Bioinspired soft electroreceptors for artificial precontact somatosensation， Sci. Adv. 8， eabo5201 （2022）， https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abo5201