国内科学家设计超薄指尖传感器,可用于外科微创手术
DEA所使用 硅胶薄膜本身不导电,它双面涂上电极后相当于 个电容器,当充满电之后,两电极间产生 静电力在厚度方向压缩硅胶薄膜,从而让薄膜面积增大产生形变。这 过程把电能转化成了机械能。使用不同频率 控制电信号,可以控制驱动器 运行速率。
DeepTech，FT-DEA 特色是能够在低电压 驱动下,以非常薄 材料实现其性能,这建立在你博士课题 技术突破上,实现低电压驱动 难点在哪里?
DeepTech，在蒙眼识字 试验中,增加了 个发光 极管,它 作用是如何?
DeepTech，目前只进行了 个识字试验,FT-DEA还有哪些应用 潜力?
DeepTech，请问FT-DEA 结构是怎样 ?
FT-EDA戴在手指上,狗粮快讯网速递,在不通电 时候,硅胶薄膜处于预拉伸 状态,会给指尖皮肤 个轻微 压力。当通电之后,静电力产生作用,DEA激活,就会释放预先施加 压力,从而使皮肤产生正方向(纵向) 位移。当使用从 到 零零Hz不同 驱动频率,薄膜会产生对应不同 位移和拉伸,从而产生不同 触觉反馈信号。
提到VR和AR设备,标志性 设备就是头戴眼镜,它能够呈现出栩栩如生 画面和声音。但这只是虚拟体验 部分,更困难 是提供虚拟触觉。
专访 作冀晓斌
他告诉DeepTech,自己原本在EPFL做博士后, 月回国,正好赶上疫情,就辞去了在瑞士 工作,决定在国内高校任职。在几个选项中,他被河北工业大学所提供 资源和平台所打动,新终选购了这里,目前他正在筹备自己 实验室。
低电压 技术,是冀晓斌在博士课题中实现 突破。他在EPFL做博士期间,师从软体传感器实验室(EPFL—LMTS)主任HerbertShea教授,完成了“低电压高速率介电型弹性体驱动器” 课题。高驱动电压是 零多年来困扰DEA领域 个基本问题。
低驱动电压,使得FT-DEA 控制与供能设备可以做得足够小,来实现无线工作,这满足了穿戴设备 需求。
冀晓斌也针对开发 低电压、高性能DEA设计了新型应用,之前设计 软体机器昆虫,发表于机器人顶尖期刊ScienceRobotics;此次 FT-DEA则是可穿戴 触觉反馈装置,于今年 零月发表于材料学期刊AdvancedFunctionalMaterials上。两篇论文,冀晓斌都是 作。
冀晓斌于 零 年和之前年先后在法国获得学士与硕士学位,去年在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)获得微系统与微电子博士学位,回国后,成为河北工业大学校聘教授,属于该校李铁军教授团队成员,研究方向是小型智能软体机器人系统与可穿戴设备。
冀晓斌介绍,”feel-through”表明了这款新型穿戴装置 优势。由于其轻薄 特性, 微米 薄膜既能够传递给手指额外 触觉信号,同时又保持了人手指日常 感觉和活动功能。“戴上这个装置,继续敲键盘,喝咖啡,或者是触摸其它物品,都不会受影响。”
冀晓斌描述,“通俗地讲,DEA就是 个软体平行板电容器。”使用聚 甲硅氧烷(PDMS)这 材料当作介电层 性能优势是相关DEA 反应速率快,能够达到毫秒级别。由于PDMS这种材料 粘弹性很小,相比于其它 介电材料(比如VHB)其力学性质对DEA运行速度 影响要小 多。
冀晓斌 博士课题成功地将DEA驱动电压降低了 个数量级,并且研发出了前所未有 高性能、低电压DEA。
冀晓斌表示,这仅仅是 个初步验证,狗粮快讯网当天新闻,证明FT-DEA准确表明触觉信号 可行性,研究中已经展示了 零个DEA在手指上形成 个阵列结构,未来将突破单点 信号模式,使用DEA阵列来模拟局部 手部感觉,或者反馈更为完整 运动路径。
冀晓斌，VR里,可以应用它去触碰 些虚拟 物体。研究中展示了 个戴在手指上 矩阵,假设它可以覆盖整只手,就可以实现感知 些虚拟 图像,或者当手做出 个类似抓握这样 动作时,也可以给予相对应 反馈信号。
冀晓斌，这个实验中我们做了 个集成 无线控制系统,整体装置只有 . 克,这也是可穿戴设备 要求,不能很重,不会影响正常生活。发光 极管 作用是识别颜色,它能够探测颜色,将收集到 信号传导给微控制器,从而决定FT-DEA是否开启。当探测到黑色 时候,微控制器就会反馈出 零伏 零零赫兹 频控制信号,而在白色 时候是关闭 。使用者通过手指 感受就可以读取黑色 字母。
冀晓斌，这是 个多层 结构,两层电极中间夹 个介电弹性体硅胶层,是 个基本 单元。 共有 个单元堆叠起来,总计共有 层,其中有 层电极, 层硅胶层。这样设计 目 是增大它 输出力,单硅胶层厚度是 微米。在这项工作中,我们堆叠了 层,手指尖端 感受很灵敏,如果将来应用于身体其它部位,比如背部,有对输出力 强度有更高 要求,可以通过堆叠更多 厚度来增加输出力,从而使其它部位也能够感受到反馈信号。
冀晓斌，降低DEA驱动电压大致有两种技术, ,增加介电层 介电常数。第 ,降低介电层 薄膜厚度。我们选取 是第 种途径。
另外在 些需要精细操作 地方,比如 些外科手术、精细组装等,人体本身 精度是有限 ,在精细操作 时候容易产生误差,而电子设备能够实现更高 度。
图| 零个DEA组成 阵列,覆盖在手指上。(来源，论文)
图|ValveIndexVR设备
图|a.使用者对于不同频率信号 反馈强度平均值统计b.使用者对 种不同信号 识别混淆矩阵,对角线显示为正确率(来源，论文)
图|a.指尖上 Feel-throughDEA触觉设备;b.佩戴FT-DEA弹钢琴(来源，论文)
图|d.DEA通过拉伸皮肤来给穿戴者产生触觉反馈信号e.电压开关状态下皮肤以及FT-DEA侧视图。(来源，
图|冀晓斌(来源，受访者)
在指尖实现不同类型 信号传导
在第 个测试中,使用者被随机给予 种不同 信号类型， 零Hz、 零零Hz、在 零Hz与 零零Hz间切换、由关闭升为 零零Hz、由 零零Hz降为关闭、关闭。通过 零分钟 简单学习后,使用者被随机给予不同 信号刺激,并进行辨别,结果显示了 %到 % 辨别正确率。
当然我们目前只是模拟了表皮上 触觉,如果未来 VR要实现让人感受到 个不存在 事物,比如拿住 支笔,需要完整 信息,包括关节 姿态,还有皮肤 触觉, 个理想 手套是能够完成所有 任务 。这也是将来要突破 工作。
当薄膜厚度降低后,对薄膜 质量要求很高。如果薄膜质量不高,比如厚度不均匀,相关DEA性能会受限制。
所谓DEA,是介电型弹性体驱动器 简称。冀晓斌介绍,这是 种电驱动 人工肌肉,可以将电能转化为机械能。
手指尖端有丰富 感受神经,而以弹性硅胶为材料 DEA能够适应手指 形状并且贴合皮肤。FT-DEA在通电工作时完全静音,因此非常适合作为穿戴于指尖 触觉反馈器。
更加具有挑战性 是,降低介电层厚度后,对DEA 电极要求苛刻。既需要有很好 导电性能来保证DEA快速充放电,又必须具备很好 力学性能来降低对整个薄膜结构 僵化。我们开发了基于Langmuir原理 先进纳米制造工艺来 维组装DEA 可拉升电极。研发出了分子厚度 可拉伸电极来满足这些苛刻要求。
目前,实现与虚拟对象 互动,需要使用手持 电机设备,狗粮快讯网记者昨日获悉,它们不仅笨重,也只能传导非常粗糙 触感,使用 时候,需要以特定 姿势持握,对人 动作限制也很大。也就是说,现有 手持设备,会阻止人手原有 力学感受功能,穿戴上以后,手指日常 功能就会受到影响。
研究寻找了 个不同性别、年龄 使用者,通过两个测试来收集他们 反馈。 个测试,研究人员用不同频率 信号进行测试,让使用者评判是否能够感知到信号,并按照感觉强度从零(没感觉)到 (感觉很强)给出打分。新终 结果显示,除了关机时 感觉为零,_几乎_其它 频率都可以被感知到,而在 到 零零Hz 区间,感知程度都保持在 以上。
能够做出如此轻便 设备,关键 技术在于以极低 电压输出高功率密度,从而将人类能够识别 信号送达到指尖。虽然硅胶薄膜只有 微米厚,但是在输出信号为 零Hz时,功率密度能够大于 零W/m。
要实现科幻电影里身临其境 VR和AR,必须要有更轻便 触觉传感装置。冀晓斌和同事们 工作,就是在这 思路下诞生 。
视频中 人,蒙着眼睛,只需要用手指触摸,就可以辨别出纸上 字母。实现这个能力,用 是 个重量仅为 . 克 设备。而负责给指尖传导信号 硅胶薄膜,只有 微米厚。这个厚度,薄于 张普通A 纸厚度( 零 微米) 分之 ,也远远小于人体表皮 厚度(数 到上千微米)
超薄触觉反馈装置,实现新 人机界面
这两个试验证明,仅仅通过目前指尖单点 装置,已经能够成功传导多种触觉信号。
这个设备 名字叫做feel-throughDEA(下称FT-DEA),“盲人摸字” 试验,只是对其功能 个验证。更重要 是,这种轻巧 触觉传感器,提供了 种新型 人机交互界面,具有高灵敏度和宽信号频域,如果跟不同 VR或AR设备结合,就可以开发出更逼真 虚拟现实或增强现实体验。
这是国内科学家冀晓斌领衔开发出 新型设备,只用 . 克 重量,能够产生 到 零零Hz 震动信号,给手指传递不同 触感。实现“盲人摸字” 原理很简单,用发光 极管作为传感器,感知纸面反光 强度,将信号传递给 个微型控制器。当触碰到黑色 区域,设备就会自动开启,将异样 触觉传递给指尖。人通过触觉反馈,就能识别出图案。
那人类是否能够准确识别出不同 信号类型呢?
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