用于检测机器人安全性的多功能自供电电子皮肤

目前，机器人产业正在从工厂自动化产线生产需求的相对标准环境不断向家庭、办公室、医院等更复杂的环境发展。因此，机器人与复杂环境交互时的安全性是机器人领域的一个关键问题。近年来，各种策略被用来监测机器人的安全性。迄今为止，视觉图像由于其高灵敏度和高精度，仍然是主要的检测方法。然而，高成本和复杂的设备限制了它的应用，特别是对于大面积的机械臂。随着传感器的发展，触觉传感也能提供力的信息作为不同的力觉接口设计应用于不同类型的压力传感器。虽然压力传感器在机器人领域备受关注，但其有限的传感功能，刚性结构和复杂的后端数据处理对机器人安全检测提出了更高的要求。

柔性电子皮肤（Flexible electronicskin，简称e-skin）可以模拟人体皮肤功能，通过各种传感器将外界刺激转化为不同的输出信号，因此在穿戴设备、人工假肢、健康监测、智能机器人等领域得到了广泛应用。其中，触觉电子皮肤正引起人们的关注，包括人机界面、医疗和安全系统。通常，基于电容式、压电、电阻、和光学机制的触觉传感器依赖于传感单元和物体之间的交互作用产生的变形。因此，触觉传感器偶尔会产生不稳定和不灵敏的信号，导致对非常微弱的交互作用的检测不好。同时，触觉传感器往往需要外部电源来感知环境刺激。另外，我们注意到现有的触觉传感器主要集中在触觉感知上，而没有直接的可视化能力。

特定动物物种的皮肤有额外的功能，当它们被外部刺激激活时，可以改变它们的颜色。脊椎动物和无脊椎动物都使用不同的视觉和伪装策略。例如，变色龙可以捕食、伪装保护，甚至可以通过变色的能力进行交流。受此启发，还可以通过机械或电子设备模拟变色龙的颜色转换功能。怀特塞德和他的同事 告说，他们有一种软性机器，带有微流控通道它可以通过泵入有色液体来填充或冲洗。罗杰斯的团队制造了一种自适应光电伪装系统，该系统使用明亮的复合材料，产生与周围环境相匹配的黑白图案。由Wang等人提出的软材料系统。产生电压控制的按需荧光图案，可以调节以显示各种几何形状。然而，这些提到的设备只能随着外界机械或电子信号的变化而产生不同的颜色，而缺乏皮肤关键的功能，即触觉感知。

近年来，具有传感和视觉功能的多功能电子皮肤以其将触觉传感器和变色器件相结合的优点而受到了许多领域的关注。 道了不同种类的多功能电子皮肤。周等提出了一种基于柔性压力传感器和电致变色器件（ECD）的多功能电子皮肤，它可以在感知压力时显示颜色的变化。 道了双模式电子皮肤触觉传感和可视化损伤警告，而该设备仅在高压和高工作电压（超过100 V）下显示视觉伤害警告。Jeong Sook Ha还展示了将应变传感器和电致变色显示器相结合的集成柔性电子皮肤设备。另外，Zhang等人还证明了紧凑的自充电功率包能够通过颜色变化来指示充电状态。将电致变色器件与TENG等结合起来、Sun等人提出了一种微结构摩擦电纳米发电机（TENG）驱动ECD，而改变时间需要2min。根据这些多功能电子皮肤的发展，由于制作工艺复杂、驱动电压高、传感范围窄或响应时间慢，在机器人安全检测中的应用还鲜有 道。因此，如何实现一个既具有全分布式、宽探测范围、低功耗的触觉感知，又能实现快速、直观的可视化的人工皮肤界面是当前研究的主要课题。

近期，苏州大学孙立宁团队提出了一种新的柔性电子皮肤，包括力的检测和变色窗口的实时可视化，它由柔性自供电摩擦电传感器（TES）和柔性有机电致发光器件（ecd）组成。采用垂直分离摩擦电传感器作为触觉传感单元，具有响应快、输出高的特点，有利于从环境噪声中提取数据，更好地进行数据处理。该测试系统具有优良的性能，开路电压（Voc）为376.8v，短路电流（Is）为1.02μA，检测范围从55.5pa到14kpa，灵敏度高达57.76mvpa?1，对压力的响应时间为5.6ms。在不同的温度和弯曲条件下，TES也被证明是稳定的。柔性ECD作为颜色变化的可视化单元，在氧化还原反应中表现出良好的稳定性和较低的驱动电压。结果表明，该多功能电子皮肤能够在0.1s内同时显示不同颜色的物体，有效地感知大范围外力，为机器人安全检测提供了一种潜在的人机界面。其制作简单，功能多样，能耗低，具有良好的耐磨性。

图1。变色电子皮肤（TES）的概念示意图。柔性电子皮肤的功能原理（右上）。电致变色聚合物（聚苯胺）中性态和氧化态的结构（右中）。柔性电子皮肤（TES，摩擦电传感器；ECD，电致变色装置）示意图（左下）。

图2 TES器件的工作原理图和工作机制示意图

图3 在给定的变形距离（5 mm）和3Hz下，测量经处理的FEP的TES的开路电压（a）和短路电流（b）。c）外部负载的输出电压和最大功率，电阻在100Ω到1000 MΩ之间。d）在不同作用力下的输出性能。e） 1kpa以上的压力区间内的电压输出特性。f）2000次以上循环的输出性能稳定性测试。

图4。自供电的TES传感性能和TES在传感过程中从各种运动中获取能量的能力。a）感应不同的弯曲角度（60°、75°）。b）感应从不同高度（5和10厘米）坠落的水滴。c）感应数字敲击施加的不同力。d）感知人类的行走速度。

图5。基于ITO-PANI的对称平面超级电容器的电化学性能。a）不同扫描速率下ITO-PANI薄膜的CV曲线。b）不同电流密度下ITO-PANI薄膜的恒流充放电（GCD）曲线。c）根据GCD曲线计算的特定面积电容。d）电流密度为2ag1时ITO-PANI薄膜长期充放电过程的循环稳定性。

图6。由TES和ECD组成的柔性电子皮肤的实际应用。a）放置在手臂和机械臂上的电子皮肤照片。b）安全预警流程图和系统结构。c）触发ECD变色的TES电压-时间曲线。d）碰撞前后的电子皮肤图像。

参考文献：Multifunctional Self-Powered E-Skin with Tactile Sensing and Visual Warning for Detecting Robot Safety，Feng-Xia Wang, Ming-Jiong Wang, Hui-Cong Liu, Yun-Lin Zhang, Qi-Hang Lin, Tao Chen, Li-Ning Sun，Adv. Mater. Interfaces 2020, 2000536。