3D打印人造皮肤:让机器人拥有真实的触感

分享到: 微博; QQ; 微信; LinkedIn

过去几十年内，模拟人体皮肤宽量程感官功能和强拉伸性能的柔性电子器件层出不穷。这类被称为“人造皮肤”的器件可以感知温度、压力、应力、震动和生物标记物并将其转化为可量化的电信号，为医疗保健、可穿戴设备和软体机器人等领域提供了新的机遇。

复旦大学武培怡教授在Materials Horizons上发表了一种利用3D打印技术制造的人工皮肤，通过刺激响应性水凝胶的体积相变行为将外界刺激转变为电信号，加强水凝胶类仿生皮肤的传感功能，为人造皮肤的研究提供了一种极具潜力的方法。

图1. 网格水凝胶材料与聚乙烯材料相结合形成的人造皮肤

由于“电子皮肤”无法达到人造皮肤材料低模量、高机械适应性、透光性等要求，科学家们提出了“离子皮肤”的概念：使用同时具有生物相容性和离子导电性的水凝胶作为人造皮肤的材料。

离子皮肤在生理和机械性能上都比电子皮肤更接近人体皮肤，但其传感性能仍有缺陷。

武教授的团队使用的PDMA-C18水凝胶具有自愈的能力、对曲面的顺应性以及对压力的高敏感度。

他们利用3D打印技术将这种材料制成了网格结构的离子导电层，并在两层水凝胶中加入聚乙烯薄膜制成的绝缘层，形成一个电容器（如图1），提升了离子皮肤产生的电信号。

在打印过程中，水凝胶材料先在料筒中被加热并保持在45℃达一小时以上，随后通过一根0.41毫米直径的平头针头以6mm/s的速度挤出在10℃的打印平台上。测试证明网格结构的水凝胶与实心结构的水凝胶没有流变性能的差异，不会改变人造皮肤的延展性。

图2. 由3D打印制造的带有亚毫米级别网格结构的水凝胶材料

网格结构起到了放大皮肤形态变化的作用，加强了人造皮肤对形变和应力的感知能力。

图3对比了具有网格结构的水凝胶材料和实心结构水凝胶材料在不同刺激下产生的电信号。

在低于1kPa的范围内，网格结构水凝胶的信号灵敏度是实心结构水凝胶的信号灵敏度的五倍。

并且和其他文献相比，仅有含微结构的PDMS材料的灵敏度可以与这种网格结构相媲美。

当温度低于27℃时，两种结构产生的信号相去无几，而当温度大于27℃时，网格结构的信号随着温度逐步上升，甚至能达到实心结构的六倍。

这两项实验均证明了3D打印的网格结构大幅提升了离子皮肤的传感灵敏度。

图3. 网格结构和实心结构水凝胶在不同条件产生的信号对比

为了进一步展现这种人造皮肤感知肢体运动的能力，作者还将水凝胶固定在手指关节上以检测关节的弯曲。这项实验不仅再次证明了网格结构的水凝胶能产生更高的电信号，还证明了在手指弯曲过程中产生的电信号可以在手指伸直后完全恢复，具有可逆的重复测试的能力。

综上，这项研究利用3D打印技术制作了网格结构的水凝胶，并通过将其制作成电容器的结构，提出了保留离子皮肤材料特性并提升传感能力的方法，为未来的人机交互和软体机器人等研究丰富了手段。

图4. 人造皮肤对肢体动作的感知

本文采用捷诺飞研发的生物3D打印工作站Bio-Architect WS对含有微结构的水凝胶材料进行打印。Bio-Architect WS在不同轴向均能实现高精度的3D打印（X/Y轴1μm，Z轴1μm），能够轻松实现文中亚毫米级别结构的打印任务。

多种可供选择的打印喷头能够针对不同打印材料进行温度控制，温控范围覆盖-25℃-260℃，确保打印材料以最合适的相态进行打印，降低如文中所列举的高分子水凝胶等材料的挤出难度。

业内独有的增压喷头能够实现6MPa的高压输出，实现高粘度材料的挤出打印。

强大的软件功能为您自由规划打印路径，随意设计和调整需要打印的微结构。

图5. 生物3D打印工作站Bio-Architect WS

引用地址：3D打印人造皮肤:让机器人拥有真实的触感

上一篇：机器人抢滩电力巡检，后来者如何“居上”？
下一篇：5G+北斗！全国第一张自动驾驶商用牌照发出，百度抢先

推荐阅读

2018年09月21日 | 人工智能机器人其实离你很近只要你用心留意

　　“你，一会儿看我，一会儿看云。我觉得，你看我时很远，你看云时很近。”那么，人工智能，离我们是远还是近？　　9月17日，2018年世界人工智能大会在上海举行。在现场，《每日经济新闻》记者看到了打太极拳的机器人，观摩了谷歌展示的癌症检测技术，还体验了公交车。这些体验，让记者真切感受到：人工智能的成果，近在咫尺。　　人工智能离你很...

2019年09月21日 | 2025年全球机器人市场达2485亿美元开始向非工业机器人转型

全球机器人市场继续向非工业机器人转移。正如预期的那样，该行业正在经历一些成长的痛苦，从成熟的机器人领域转移到新的应用领域。根据TracTIca的新数据，许多非工业机器人类别正开始感受到压力，包括消费机器人、（UAV）、汽车（AVS）和客户服务机器人。 TracTIca预计非工业机器人领域将继续增长。到2025年，包括工业和非工业领域在内的全球机器人收...

2020年09月21日 | 安防巨头跨界破苍穹，华睿实力迎接新蓝海

在安防产业发展最凶猛的那几年，中国企业不仅做到成本上的竞争优势，对行业的深耕也是出神入化，“农村包围城市”、“安防进村”等策略更是让一众在华国际巨头兵败如山倒。一切看似很美好，意想不到的是，传统安防监控有天花板，人工智能等技术的快速发展，视频逐步向视觉化生产力转变，大华股份作为全球巨头，对华睿的布局也是新挑战之下的快速应对。华睿...

2021年09月21日 | 软件定义汽车时代，为什么Arm也要来分一杯羹？

由特斯拉首创的“软件定义汽车”的概念已经逐渐成为主流，并深刻地改变着汽车行业的认知。通过软件定义汽车，可以轻松提供用户改进体验，硬件标准化，广泛的服务部署，并可以持续进行更新及追踪等多项便利优势。软件定义汽车的变革，使软件与硬件解耦，允许更多公司进入汽车市场，加速汽车技术的变革。而传统的OEM及Tier1厂商，也在软件领域进行着从未有过...

史海拾趣

BELDEN公司的发展小趣事

在发展过程中，BELDEN公司积极实施国际化战略，不断拓展海外市场。公司在全球范围内设立了多个分支机构和销售网络，覆盖了北美、欧洲、亚洲等多个地区。通过与国际知名企业的合作与交流，BELDEN不断引进先进的技术和管理经验，提升了自身的研发能力和管理水平。同时，公司还针对不同地区的市场需求，推出了定制化的产品和服务，赢得了广大客户的信任和好评。

常州星海电子(Starsea)公司的发展小趣事

在电子行业，技术创新是企业持续发展的关键。常州星海电子一直致力于技术的研发和创新。近年来，公司成功取得了一项名为“一种高反压二极管”的专利，通过采用先进的生产工艺和设计，实现了产品性能的优化和成本的降低。这一创新不仅提升了公司的市场竞争力，也为整个电子行业的发展注入了新的活力。

Holmes Co Inc公司的发展小趣事

面对日益增长的全球市场需求，Holmes Electronics决定实施全球化战略。他们首先在亚洲建立了生产基地，利用当地的成本优势和供应链资源，大幅提高生产效率并降低成本。随后，公司又在欧洲和美国设立了研发中心和销售网络，以更好地服务当地客户并捕捉市场机会。这一全球化战略不仅使Holmes Electronics的产品遍布全球，还增强了公司的市场响应能力和品牌影响力。

国炬(GOOGLL)公司的发展小趣事

可能是由于负载过大、散热不良或电路设计不合理等原因引起。解决方法包括降低负载阻抗、改善散热条件或重新设计电路结构。

APLUS Products公司的发展小趣事

在发展过程中，APLUS Products公司注重与上下游企业的合作与共赢。公司积极与供应商建立良好的合作关系，确保原材料的质量和供应的稳定性；同时，也与多家知名企业建立了战略合作关系，共同开拓市场、分享资源。这些合作不仅提高了公司的运营效率，也增强了其市场竞争力。

Anixter Inc公司的发展小趣事

在XXXX年，APLUS Products公司迎来了一次重要的技术突破。公司研发团队成功开发出了一款具有划时代意义的电子产品，该产品在性能、稳定性和用户体验等方面均达到了行业领先水平。这一技术突破不仅为公司赢得了大量订单，还进一步巩固了其在电子行业中的市场地位。

问答坊 | AI 解惑

车载电源系统开关电源的设计目前世界各国正在研究48VDC汽车用电源系统，欧共体计划从2008年开始采用48VDC电源系统。如何在48VDC电源系统下兼容12VDC电子设备成为了一个课题。通过线性稳压电源实现48VDC/12VDC的转换会产生很大的功率损耗，缺点明显。本文提出了一种具有过载 ...… 查看全部问答∨	简析BOOST-BUCK变换器 Ⅰ 引言　　目前，功率因数校正问题是许多电器设备都需要解决的问题。对此，人们提出了许多的电路拓扑和控制方案来解决它。其中运用较为广泛的是利用BOOST型变换器来做功率因数校正。这是因为BOOST变换器具有许多其他电路拓扑所不具有的优点，例如 ...… 查看全部问答∨
顽固的错误NMAKE : U1073: don't know how to make... 大家好小弟初学,用的是三星的2440,遇到如下错误 BUILD: [01:0000000045:ERRORE] NMAKE : U1073: don\'t know how to make \'E:\\WINCE500\\platform\\new2440\\lib\\ARMV4I\\debug\\cardserv.lib\' BUILD: [01:0000000047:ERRORE] N ...… 查看全部问答∨	单片机学习高级群欢迎加入！目前人数将满！ 86079002… 查看全部问答∨
UBaseIII RPC简介 UBaseIII RPC简介 UBaseIII RPC是PC机与掌上机之间远程过程调用函数库，它包含通讯协议以及远程过程RAPI，RPC协议基于远程过程调用模型，类似于本地过程调用模型。在本地过程调用模型中，调用者把过程的参数放在特定的位置。接着，它 ...… 查看全部问答∨	这个硬件问题不懂，，请教有没有朋友弄过放大比较电路啊，最近本来在弄东西要用到比较电路，，，就是一直弄不出来，，，烦死了，，貌似芯片用lm386 先谢谢了… 查看全部问答∨
stm32驱动液晶在keil在线调试的怪问题，不知道什么原因，有调试经验的帮忙看下！自己修改的LCD驱动函数，工程编译链接没问题，下载到stm32板子上，液晶白屏，复位断电上电等操作都没用，之后打开Debug，利用j-link在线调试，点击全速运行，LCD竟然奇迹般的亮了，达到自己的效果，并且复位断电上电之后工作正常，这到底是什么原因 ...… 查看全部问答∨	关于电子调谐收音机集成电路的问题各位帅哥美女，你们谁有关于电子调谐收音机集成电路TDA7088T的有关调试方面的资料、和如何提高灵敏度的的方法。我急需要！求帮助！… 查看全部问答∨
高级定时器TIM_RepetitionCounter的设置问题请教一下，STM32F2xx系列高级定时器TIM1和TIM8的TIM_RepetitionCounter到底应该怎么设置才能生效？我的不管怎么设置，就没有效果，相当于TIM_RepetitionCounter=0.代码如下： #define TIMx TIM8 uint32_t period_ = ... #define PRESCALER xxx ...… 查看全部问答∨	RC电路延时计算 C:\\Documents and Settings\\huiquan_chen\\桌面 Power on的时候，Vo和Vin对应的时间关系是怎么计算的？… 查看全部问答∨

小广播

热门活动

换一批

■有奖直播报名:大联大世平集团&恩智浦 | AI 无所不在，单板电脑也可以

■2024 瑞萨电子MCU/MPU工业技术研讨会——深圳、上海站，火热报名中

■Follow me第二季第4期来啦！与得捷一起解锁蓝牙/Wi-Fi板【Arduino Nano RP2040 Connect】超能力！

■嵌入式工程师AI挑战营（进阶）：基于RV1106部署InsightFace算法，实现多人的实时人脸识别

请推荐一些双重机器学习教程入门双重机器学习（Double Machine Learning, DML）是一种因果推断方法，用于处理因果推断和预测问题。以下是一些双重机器学习的入门教程资源：《Causal Inference: The Mixtape》：这是一本由马蒂诺·沃尔德曼（Martino Wadmann）撰写的在线书籍，介绍 ...… 查看全部问答∨	对于深度学习本科生入门，请给一个学习大纲针对本科生入门深度学习，以下是一个学习大纲：1. 基础数学知识复习线性代数，包括矩阵运算、向量空间、特征值和特征向量等。温习微积分，理解导数、偏导数、梯度等基本概念。学习概率论和统计学的基础知识，如概率分布、期望和方差等。2. 编程基础 ...… 查看全部问答∨
基于stm32的毕业设计是什么意思？基于STM32的毕业设计可以通过以下步骤来使用：熟悉项目文档：首先，仔细阅读毕业设计项目的文档，包括设计方案、硬件原理图、软件代码等。理解项目的整体框架和实现细节是使用项目的第一步。准备硬件设备：确保你拥有项目所需的硬件设备，包括STM32 ...… 查看全部问答∨	请问能否详细地讲解fpga查找表的工作原理呢？ FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以通过编程来实现特定硬件逻辑的半导体设备。它广泛应用于数字电路设计、通信、视频处理等领域。查找表（Look-Up Table，简称LUT）是FPGA中实现组合逻辑功能的基本单元。查找表的 ...… 查看全部问答∨
对于单片机及语言入门，请给一个学习大纲以下是适用于单片机及其编程语言入门的学习大纲：1. 单片机基础知识介绍了解单片机的基本概念、分类和应用领域。掌握单片机的组成结构、工作原理和特点。2. 单片机硬件平台学习单片机的硬件平台，包括主控芯片、外设模块和扩展接口等。熟悉常见单片 ...… 查看全部问答∨	我想dsp arm fpga 入门，应该怎么做呢？入门DSP（数字信号处理）、ARM和FPGA是电子工程师非常重要的方向之一。以下是你可以采取的步骤：了解数字信号处理基础知识：在开始学习DSP之前，建议先了解数字信号处理的基本原理和概念，包括信号采样、离散傅立叶变换（DFT）、滤波、数字滤波器 ...… 查看全部问答∨
对于web安全机器学习入门，请给一个学习大纲当涉及到Web安全和机器学习入门学习时，以下是一个简要的学习大纲，可以帮助你开始学习这两个领域的基础知识和技能：1. Web安全基础学习常见的Web安全威胁和漏洞，如跨站脚本（XSS）、SQL注入、跨站请求伪造（CSRF）等了解常见的Web攻击手法和防御 ...… 查看全部问答∨	我想单片机的入门，应该怎么做呢？作为电子工程师初学者，想要入门单片机编程，你可以按照以下步骤进行：选择学习的单片机型号：首先确定你要学习的单片机型号。常见的单片机包括8051系列、AVR系列、PIC系列等。选择一款适合初学者的单片机型号。获取学习资料：寻找适合初学者的学 ...… 查看全部问答∨
对于深度学习图像处理入门，请给一个学习大纲以下是深度学习图像处理入门的学习大纲：基础知识：了解深度学习在图像处理领域的应用和基本概念，如卷积神经网络（CNN）、图像分类、目标检测、图像生成等。图像数据预处理：学习图像数据的表示方法和常见预处理技术，如图像缩放、裁剪、归一化、 ...… 查看全部问答∨	请问能否详细地讲解fpga胶合逻辑原理呢？ FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以编程的集成电路，它允许用户根据需要配置逻辑电路。FPGA的工作原理基于胶合逻辑（Glue Logic）的概念，这是一种用于连接和控制FPGA内部逻辑单元的逻辑。FPGA的基本组成可编程 ...… 查看全部问答∨

2019年09月21日 | 3D打印人造皮肤:让机器人拥有真实的触感