柔性觸覺感測器新技術平台：支持定製化設計！

導讀

最近，美國普渡大學開發一種新型可拉伸的柔性感測器技術稱為「iSoft」，它能夠展開實時（無延時）、「多模式」的感知，感知各式各樣的刺激，例如持續的接觸以及在不同方向的拉伸。

關鍵字

柔性、感測器、可穿戴技術

背景

作為一個新興市場，可穿戴技術例如「智能衣服」，受到的關注與日俱增。舉個例子，李維斯和谷歌聯合推出的可連接其他設備和網路的牛仔褲和夾克。然而，人體結構存在許多彎曲的地方，所以智能衣服的設計複雜度很高。傳統的剛性感測器，由於其笨重且僵硬的特點，自然無法滿足智能衣服的要求。

因此，科學家都在致力於可穿戴的柔性感測器，它們可以隨著人體活動產生相應地的形變，從而不僅可以滿足測量和追蹤身體運動的需求，還可以為用戶帶來良好的穿戴體驗。

為此，筆者介紹過一些創新研究案例。例如，韓國大邱慶北科學技術院開發的電子皮膚。不同於傳統的二維平面感測器，該設備中的微型線圈是三維的，從而使得柔性最大化。線圈像彈簧一樣，可以拉伸和收縮，而不會被折斷。這種線圈和感測器組件也可配置成特殊的「蜘蛛網」圖案，從而確保任何方向上都具有統一且極高的拉伸性和彎曲性。

（圖片來源：大邱慶北科學技術院）

此外還有一個很好的例子，就是加拿大英屬哥倫比亞大學的科研人員發明了一種低成本的柔性感測器。它能夠在被拉伸、摺疊、彎曲的同時，檢測手指的靠近以及輕觸。

（圖片來源： 英屬哥倫比亞大學）

創新

今天，我們要介紹的是由美國普渡大學開發一種新型可拉伸的柔性感測器技術。這項技術稱為「iSoft」，它能夠展開實時（無延時）、「多模式」的感知，或者感知各種各樣的刺激，例如感知持續的接觸以及在不同方向的拉伸。

（圖片來源：普渡大學）

這項研究論文的作者包括：美國普渡大學機械工程系教授、C 設計實驗室主任 Karthik Ramani 、Yoon、博士生 Ke Huo、博士後研究員 Yunbo Zhang、研究生 Guiming
Chen、博士生 Luis Paredes、博士生 Subramanian Chidambaram。

普渡研究基金會技術商業化辦公室已經為這項技術申請了專利。該研究還受到了以下單位的支持和贊助：美國國家科學基金會、美國國家機器人計劃、NSF
IGERT 在可持續電子方面的撥款。

10月22日~25日，在加拿大魁北克市召開的美國計算機協會（ACM）用戶介面軟體和技術（UIST）的研討會上，普渡大學博士研究生 Sang Ho Yoon 展示了這一研究成果。

技術

與之前開發的那些柔性感測器不同，iSoft 技術能夠處理持續的接觸，也能夠在製成之後進行自定義的簡單修改。Ramani 表示：

「持續，意味著我們能夠在表面上移動，並且可以一直進行按壓，例如通過一隻筆作畫，這一點是很難實現的。」

感測器使用一種「壓敏電阻彈性體」，它被觸摸時，電阻會發生改變，從而提供感知數據。他說：

「我們提出了一種低成本、簡便的方式，製造這種基於壓敏電阻彈性體的柔性感測器，用於即時互動。」

這項技術的特點就是電阻抗斷層成像（EIT），它可以評估由指尖接觸引起的電阻分布變化。系統也採用了團隊為EIT開發的一種演算法，稱為「動態基線更新」，用於補償「回彈性」。當彈性體回到原始狀態時，回彈性通常會引起信號延時。這些基線更新由指尖接觸和運動檢測觸發。

Ramani 表示：

「更進一步說，我們使用了一種基於模型的方案支持單向拉伸的感知，與持續接觸的感知分開工作。我們也為用戶提供了一個軟體工具包，用於設計和部署具有定製外觀的個性化介面。這種客制化工具包讓用戶可以在部署後展開即時交互，且無需任何額外的培訓過程。」

團隊通過一系列的實驗和評估驗證了接觸和拉伸感知的性能：

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

（圖片來源：普渡大學）

感測器是一種薄的橡膠片，外周圍繞著電極。它採用的材料稱為「充滿碳的硅膠」，這是一種無毒的壓敏材料，廣泛用於各種類型低成本感測器的研究。

Ramani 表示：

「然而，這種交互系統的局限性主要在於材料的回彈性，在材料形變後，它會引起感知信號的恢復緩慢。」

動態基線更新的處理解決了這一問題，而電阻抗斷層成像技術讓感測器能夠以「單卷的方式」（single-volume manner）製造，或者說只在材料的外周使用電極，從而無需在材料內部侵入性地部署電線和感測器。

價值

iSoft 的平台的應用領域很廣泛，例如：機器人人造皮膚、人機交互、運動和健康監測設備、人造假肢、虛擬現實。Ramani 表示：

「iSoft 技術新穎之處就在於它的材料中不含任何電線和電子設備。這種平台提供了一種創建和客制化柔性感測器的功能。即使你沒有專業的電子知識， 你也能用它修改任何物體，包括形狀複雜的物體。」

「我們已經驗證了系統的準確性，評估了使用性能。我們研究很快就將惠及人機交互技術的從業者，以及那些希望創造他們自己的功能化柔性感測器，而又不具備材料處理專業知識和昂貴製造設備的新手創客。」

參考資料

【1】http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2017/Q4/innovative-material-for-soft-sensor-could-bring-new-tactile-tech.html

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