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李陽/沈國震AM: 機(jī)器學(xué)習(xí)助力仿生電子皮膚新突破,實(shí)現(xiàn)通用觸覺認(rèn)知!

李陽/沈國震AM: 機(jī)器學(xué)習(xí)助力仿生電子皮膚新突破,實(shí)現(xiàn)通用觸覺認(rèn)知!
目前電子皮膚的大部分研究都是通過模仿皮膚的局部結(jié)構(gòu)來完成其構(gòu)建,從而實(shí)現(xiàn)僅對單一刺激的觸覺感知。然而,利用由表皮-真皮-皮下組織組成的全皮膚仿生(FSB)結(jié)構(gòu)結(jié)合毳毛狀結(jié)構(gòu)(VHS)的電子皮膚的開發(fā)和突破幾乎沒有探索。
李陽/沈國震AM: 機(jī)器學(xué)習(xí)助力仿生電子皮膚新突破,實(shí)現(xiàn)通用觸覺認(rèn)知!
在此,濟(jì)南大學(xué)李陽副教授、北京理工大學(xué)沈國震研究員等人提出了一種基于人體FSB結(jié)構(gòu)的電子皮膚,并探討了電子皮膚領(lǐng)域的技術(shù)突破和發(fā)展前景。研究表明,所提出的電子皮膚不僅具有觸覺感知功能,而且由于配備了“大腦”,因此實(shí)現(xiàn)了通用智能觸覺認(rèn)知的特性。更重要的是,腦控電子皮膚充分利用提出的FSB結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出先進(jìn)的智能觸覺認(rèn)知功能,一次接觸即可準(zhǔn)確識(shí)別材料種類和位置,超越了人類的能力。
FSB電子皮膚具有3層結(jié)構(gòu)配置:采用雙面異質(zhì)頂層模擬人毳毛和表皮;基于雙面層狀微錐結(jié)構(gòu)(LMS)離子凝膠的中間層用于模擬皮膚真皮;底層單面LMS用于模擬皮下組織。因此,所提出的FSB電子皮膚具有對低于1 kPa的壓力具有8053.1 kPa-1的超高靈敏度,在1~34 kPa的壓力范圍內(nèi)對應(yīng)于3103.5 kPa-1靈敏度的線性響應(yīng)及快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(<5.6毫秒)。
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圖1. 非接觸式感知和手勢認(rèn)知的演示
為證明所提出的FSB電子皮膚具有從觸覺感知到高級(jí)智能觸覺認(rèn)知的能力,作者探索了3個(gè)具體應(yīng)用,包括:
i)基于FSB 電子皮膚類毳毛層的摩擦電效應(yīng),將柔性感知陣列應(yīng)用于模擬毳毛功能的非接觸式靜態(tài)/動(dòng)態(tài)信息觸覺感知;
ii)利用FSB電子皮膚的超級(jí)電容離子電子效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了由五層多層感知器(MLP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的手勢形態(tài)認(rèn)知手套安裝系統(tǒng)以促進(jìn)通用智能觸覺認(rèn)知;
iii)通過將FSB電子皮膚與六層MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和包括信號(hào)采集、傳輸、處理和顯示功能的各種單元相結(jié)合,作者構(gòu)建了一個(gè)先進(jìn)的智能材料認(rèn)知系統(tǒng),只需一次接觸即可實(shí)現(xiàn)對不同材料的準(zhǔn)確認(rèn)知、定位、實(shí)時(shí)顯示,平均準(zhǔn)確率達(dá)到98.34%。
總之,這項(xiàng)研究提出的器件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建和微納處理方法必將為柔性電子研究領(lǐng)域,特別是柔性智能機(jī)器人、智能假肢和元宇宙領(lǐng)域帶來新的啟發(fā)。
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圖2. 先進(jìn)的智能材料認(rèn)知系統(tǒng)演示
Perception-to-Cognition Tactile Sensing Based on Artificial-Intelligence-Motivated Human Full-Skin Bionic Electronic Skin, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202622

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