电子皮肤上课讲义课件

海南大学我们毕业啦其实是答辩的标题地方一种新型电子皮肤的研究小组成员符庆丰，林坤鹏，贺正义，杨浩田海南大学我们毕业啦一种新型电子皮肤的研究小组成员符庆丰，林坤1010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用2010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用301研究背景与意义电子皮肤：又称新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。1.1 定义定义01研究背景与意义电子皮肤：又称新型可穿戴柔性仿生触觉传感器401研究背景与意义生物皮肤与电子皮肤生物皮肤不同类型的压力（硬度）温度与热量空气及水流痛觉等（保护作用）电子皮肤首先具备生物皮肤现有的功能甚至具有生物皮肤不具备的功能：如感受声波，超声波，测量血压，心跳等更加先进的功能。表皮真皮传感器1.1 定义定义01研究背景与意义生物皮肤与电子皮肤生物皮肤不同类型的压力（501研究背景与意义19741.2 发展历史发展历史19852000Organic transistor e-nose2004200820102012201301研究背景与意义19741.2 发展历史19852000O601研究背景与意义电子皮肤：让烧伤病人不用忍受切肤之痛皮肤作为人体最大的器官，其重要性不言而喻。对烧伤病人和肢体残疾人士来说，皮肤的不可修复性损坏给他们带来了身心伤害。而电子皮肤，能够帮助他们重获皮肤功能。1.3 研究意义研究意义01研究背景与意义电子皮肤：让烧伤病人不用忍受切肤之痛皮肤作701研究背景与意义电子皮肤：让机器人更智能现有电子皮肤技术使机器人和机械假肢能够抓住和操作物体，识别表面纹理和硬度，感受物体的温度状况。然而在此之前电子皮肤可以同时非常灵敏地探测热量和不同类型的压力是很难实现的。1.3 研究意义研究意义01研究背景与意义电子皮肤：让机器人更智能现有电子皮肤技术使801研究背景与意义电子皮肤：未来的可穿戴设备电子皮肤，因为它跟皮肤一样又软又薄，可以轻易的把它贴在身体上，能够测量出人体的含氧量，用于其他生理体征的监测，让智能手环成为过去。1.3 研究意义研究意义01研究背景与意义电子皮肤：未来的可穿戴设备电子皮肤，因为它901研究背景与意义电子皮肤：让生活更美好1.3 研究意义研究意义01研究背景与意义电子皮肤：让生活更美好1.3 研究意义10010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用112.1 设计难点设计难点2.2 设计准则设计准则2.3 电子皮肤基本结构电子皮肤基本结构2.4 电子皮肤工作原理电子皮肤工作原理2.5 电子皮肤新型平板电容压力传感器电子皮肤新型平板电容压力传感器 2.5.1 新型平板新型平板电电容容压压力力传传感器工作原理感器工作原理 2.5.2 新型平板新型平板电电容容压压力力传传感器基感器基本本结结构构2.6 电子皮肤电子皮肤新型声表面波新型声表面波压压力力传传感器感器 2.6.1 新型声表面波新型声表面波压压力力传传感器工作原理感器工作原理 2.6.2 新型声表面波新型声表面波压压力力传传感器基感器基本本结结构构2.7 电子皮肤应用实例电子皮肤应用实例 02基本结构及原理2.1 设计难点02基本结构及原理12电子皮 肤的发展目标就是模拟人类皮肤的功能和特性，推动人造 皮肤在人人工工智智能能和医医疗疗等领域中的广泛应用。作为众多科 学家追求的梦想之一，与人体皮肤媲美的电子皮肤的实现 需要 3 3 个方面的科研攻关：(1)(1)创创造造新新型型柔柔性性传传感感器器,提提高高电电子子皮皮肤肤对对外外界界刺刺激激的的感感知知灵灵敏敏度和信号辨别力；度和信号辨别力；(2)(2)模模 拟人体皮肤的特性拟人体皮肤的特性,如拉伸性、自修复性和空间分辨性等；如拉伸性、自修复性和空间分辨性等；(3)(3)将将电电子子皮皮肤肤的的感感知知信信息息直直接接传传递递给给大大脑脑,实实现现人人机机通通 信信与与反反馈馈。这这些些难难题题使使得得电电子子皮皮肤肤的的研研究究涉涉及及材材料料科科学学、信信息息科科学学、电电子子学学等等多多个个学学科科,是是具具有有重重大大科科学学意意义义和和应应 用用前前景景的的挑挑战战性性交交叉叉前前沿沿研研究领域。究领域。02基本结构及原理2.1 设计难点设计难点电子皮 肤的发展目标就是模拟人类皮肤的功能和特性，推动人造 1302基本结构及原理2.2 设计准则设计准则 适适应性性 电子皮肤能子皮肤能够应用于任意表面用于任意表面 顺应性性 电子皮肤子皮肤应具有具有软表面表面测量范量范围和灵敏度和灵敏度 测量范量范围可根据可根据实际使用条件使用条件调节 安装空安装空间 系系统所占空所占空间越小越好越小越好 覆盖面覆盖面积 电子皮肤所能覆盖的面子皮肤所能覆盖的面积越大越好越大越好 重量重量 电子皮肤子皮肤应轻量化量化 能耗能耗 电子皮肤子皮肤应能耗低能耗低 尺寸尺寸 单个个传感感单元尺寸越小越好元尺寸越小越好 韧性性 韧性好、耐用性好、耐用 可制造性可制造性 易于制作、成本低易于制作、成本低电子皮肤的设计准则电子皮肤的设计准则02基本结构及原理2.2 设计准则 适应性 1402基本结构及原理电子皮肤：由由三三维维界界面面应应力力检检测测单单元元、局局部部点点微微应应力力检检测测单单元元和外外围围电电路路组组成成。三维界面应力检测单元由新新型型平平板板电电容容压压力力传传感感器器组组成成，用于实时检测三维界面应力的大小，包括与界面垂直的向正应力和与界面相切的向剪应力和向剪应力。微应力检测单元由新型声表面波压力传感器组成新型声表面波压力传感器组成，用于检测局部点的微应力大小。电子皮肤基本结构2.3 电子皮肤电子皮肤 基本结构基本结构02基本结构及原理电子皮肤：由三维界面应力检测单元、局部点微1502基本结构及原理工作原理：新型平板电容传感器相互连接组成传感器阵列，将新型声表面波压力传感器嵌入到需要检测微压力的指定点，然后将传感器阵列与外围电路相连，组成完整的电子皮肤。电子皮肤能够实时检测各个传感器单元处的三维界面应力大小和指定点的微应力大小，将各个点的检测数据输出到外围电路，以达到实时检测作用于电子皮肤的界面应力分布的目的。2.4 电子皮肤工作原理电子皮肤工作原理02基本结构及原理工作原理：新型平板电容传感器相互连接组成传1602基本结构及原理2.5 电子皮肤新型平板电容压力传感器电子皮肤新型平板电容压力传感器 2.5.1 平板电容压力传感器工作原理平板电容压力传感器工作原理平板电容的电容大小与电极的面积成正比，与电极间的距离成反比。当改变电极之间的面积或者距离时，会引起输出电容发生改变。基于平板电容的传感器正是利用改变平板电极间的面积或距离，引起输出电容的改变来测定被测对象发生的变化的。电子皮肤界面应力传感器采用平板电容传感器。02基本结构及原理2.5 电子皮肤新型平板电容压力传感器 1702基本结构及原理2.5.2 新型平板电容压力传感器基新型平板电容压力传感器基本本结构结构电子皮肤新型平板电容压力传感器采用传统的三层结构设计：表表层层，中间层中间层和底层底层，如左图所示。在表层耦合驱动电极，底层耦合感应电极，中间层采用超弹塑性材料。当传感器表层加载力时，中间层的弹塑性材料发生应变，从而引起驱动电极和感应电极之间的距离和面积发生变化，根据输出电容的变化，达到检测加载的压力大小的目的。新型平板电容压力传感器基本结构图新型平板电容压力传感器基本结构图02基本结构及原理2.5.2 新型平板电容压力传感器基本结构1802基本结构及原理2.6 电子皮肤电子皮肤新型声表面波压力传感器新型声表面波压力传感器2.6.1 新型声表面波压力传感器新型声表面波压力传感器基本结构基本结构新型声表面波压力传感器结构图新型声表面波压力传感器结构图新型声表面波压力传感器结构图新型声表面波压力传感器结构图02基本结构及原理2.6 电子皮肤新型声表面波压力传感器2.1902基本结构及原理2.6 电子皮肤应用实例电子皮肤应用实例新型声表面波压力传感器采用延迟线结构，由压电衬底压电衬底、输入叉指换能器输入叉指换能器、输出叉指换能器输出叉指换能器和外围电路外围电路构成。压电衬底釆用悬臂梁结构，即一端固定，另一端加载微压力。输入叉指换能器激励出声表面波，经过压电衬底传播到输出叉指换能器，输出叉指换能器将接收到的声表面波还原成电信号，与放大器相连，输出频率信号。当微压力加载于悬臂梁一端时，悬臂梁发生应变，使得声表面波的传播路径发生改变，从而引起输出频率发生变化，利用输出频率的变化可以检测加载于悬臂梁的微压力。2.6.2 新型声表面波压力传感器新型声表面波压力传感器工作原理工作原理02基本结构及原理2.6 电子皮肤应用实例新型声表面波压力传2002基本结构及原理“触动触动”脑神经的电子皮肤工作原理示意图脑神经的电子皮肤工作原理示意图2.7 电子皮肤应用实例电子皮肤应用实例02基本结构及原理“触动”脑神经的电子皮肤工作原理示意图2.21该感受器可以分为2层，外层是柔柔性性压压力力传传感感器器,由碳纳米管和弹性体复合制成,而内层是喷喷墨墨打打印印的的柔柔性性OFETOFET 环环形形振振荡荡器器。当压力施加在感受器时，压力传感器可将外界压力信号定量转变为直流电压信号，而电压信号的大小决定了环形振荡器的频率，即外界压力先后被外层压力传感器和内层电路转化成电压信号和电脉冲信号。经过器件的不断优化，制备的器件在10100 kPa 压力范围内的电脉冲信号的频率分布在40200 Hz，且随压力的增大而增大,模拟了人体皮肤的信号转换过程.研究者利用压力感受器与大脑神经细胞的接口技术，成功将电脉冲信号通过控制LED 灯进一步转化为光脉冲信号,并将光脉冲信号传递到带有感光离子通道的小鼠脑神经元里.基于上述原理，该人造电子皮肤将感知到的外界压力转化成特定频率的光脉冲，实现了向神经系统的信号传递。02基本结构及原理该感受器可以分为2层，外层是柔性压力传感器,由碳纳米管和弹性22010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用2303电子皮肤的性能测试为了使电子皮肤尽可能达到与真实皮为了使电子皮肤尽可能达到与真实皮肤的性能相接近，需要根据不同部位皮肤的性能相接近，需要根据不同部位皮肤的性能进行单独设计，以手部皮肤为肤的性能进行单独设计，以手部皮肤为例，分别测试电子皮肤对外界作用力、例，分别测试电子皮肤对外界作用力、温度和湿度的感应，来确定是否达到使温度和湿度的感应，来确定是否达到使用性能。用性能。03电子皮肤的性能测试为了使电子皮肤尽可能达到与真实皮肤243.1不同运动下的张力检测动作捕捉系统的原理图3.1不同运动下的张力检测动作捕捉系统的原理图25不同运动下皮肤的应变程度检测不同运动下皮肤的应变程度检测26由实验得知手部运动时皮肤应变范围在4%至16%由实验得知手部运动时皮肤应变范围在4%至16%273.2电子皮肤对外加作用力的测试在0%到30%的应变作用下，S1到S6的曲率分别为0、1.94、4.74、7.4、9.75和10mm-1。检测了其变化范围。由图中可知，随着曲率的增加，对外加应变的反应越不明显，敏感度降低，抗拉力作用升高。3.2电子皮肤对外加作用力的测试在0%到30%的应变作28电子皮肤上课讲义课件29在外加应变和循环拉伸作用下不同曲率的变化程度在外加应变和循环拉伸作用下不同曲率的变化程度30电子皮肤在不同部位作用的性能测试电子皮肤在不同部位作用的性能测试31综上所知，电子皮肤对外加作用力的反应与综上所知，电子皮肤对外加作用力的反应与实际实验所得结论大致符合，实际实验所得结论大致符合，S1S1传感器适合弹传感器适合弹性较小，敏感度高的部位，如手背；性较小，敏感度高的部位，如手背；S3S3传感器传感器有一定的敏感度和弹性，适用于手背和膝关节有一定的敏感度和弹性，适用于手背和膝关节皮肤；皮肤；S6S6传感器弹性较好，适合于手腕皮肤。传感器弹性较好，适合于手腕皮肤。综上所知，电子皮肤对外加作用力的反应与实际实验所得结论323.3电子皮肤对温度的感应3.3电子皮肤对温度的感应33电子皮肤的保温和加热效应测试电子皮肤的保温和加热效应测试34在拉伸作用下测试其温度效应在拉伸作用下测试其温度效应353.4电子皮肤对湿度的感应由图中可以看出，在水滴亲润较多的区域湿度逐渐增大3.4电子皮肤对湿度的感应由图中可以看出，在水滴亲润较多的区36010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用010203研究背景与意义基本结构及原理性能表征04产品应用37电子皮肤上课讲义课件3804产品应用假肢制造：2010年末我国残疾人总 数：8502万，占 总 人 口 的6.3%，其中肢体残疾2472万，占残疾人比例的三成。绝大多数截肢者靠假肢活动，假肢的质量很大程度影响他们的生活质量。04产品应用假肢制造：2010年末我国残疾人总数：8502万39电子皮肤上课讲义课件4004产品应用电子皮肤的功能不局限于感受压力，它内置了超薄、单晶硅纳米带，上面布有传感器整列，包括压力传感器，温度传感器，湿度传感器，应变传感器，组热加热器等其他神经刺激传感器。电子皮肤能够对外部刺激做出快速反应，更加接近人体真实皮肤对外部世界反应时间，从而大大方便残疾人的生活。04产品应用电子皮肤的功能不局限于感受压力，它41电子皮肤上课讲义课件4204产品应用智能穿戴设备：电子皮肤通过静电贴在皮肤上后，能够通过实时监测脉搏、心跳、体温、肌肉群震动等人体健康生理指标，对人体健康数据变化及时做出反馈，实现疾病的前期预防和诊断。更令人称道的是，这款电子皮肤还设计了一个药物接口，可以根据人体实时数据和健康状况，将药物直接通过电子皮肤释放到人体内，更快速有效完成治疗过程。04产品应用智能穿戴设备：电子皮肤通过静电贴在皮肤上后，能够4304产品应用电子皮肤可具有显示的功能，显示屏可以粘附到人身上，显示各种生理指标数据，如心率或血氧水平，甚至也可以显示表情和压力水平。除了无需随身携带设备外，这一技术还能增强我们与周围世界交互的方式，或增添一个全新的沟通渠道。有朝一日，人们将能在衣袖上显示自己的心情，甚至是状态更新。04产品应用电子皮肤可具有显示的功能，显示屏可4404产品应用智能机器人的研发：电子皮肤可以使机器人拥有和人类、动物一样的触觉，使其更加人性化，智能化。电子皮肤包含数百个独立的传感器，借助传感器收集的信息，机器人可以利用所谓的“触觉“来控制走向，识别周围的情况，找出最佳的行进路线。通过电子皮肤和数据的计算，机器人能够实时对障碍物进行反应，实现其自主灵活的运动。04产品应用智能机器人的研发：电子皮肤可以使机器人拥有和人类4504产品应用电子皮肤覆盖在机器人的机械手臂上，使其十分灵活，还可以控制触碰物体时的力度。依靠这种“电子皮肤”，机器人不仅能感知到物体的地点和方位，还能获得物体的硬度、强度、温度、表面纹理等。机械臂会通过触感决定下一步动作和移动方向。基于一些巧妙的数学运算，机器人完全可以按照指令完成既定的任务。04产品应用电子皮肤覆盖在机器人的机械手臂上，46电子皮肤上课讲义课件47THANKSTHANKS48