儘管工程師在過去幾十年中開發了越來越先進的仿生系統，但這些系統的感測能力通常遠不如在人類和其他動物身上觀察到的先進。

更複雜的感測器和人造皮膚的設計和製造可以進一步改進這些系統，使它們能夠準確地從周圍環境中獲得廣泛的感官資訊。

北京奈米能源與系統研究所和清華大學的研究人員最近開發了一種新型多受體皮膚，靈感來自鴨嘴獸的感官能力，鴨嘴獸是一種有趣的動物，結合了鴨子、海狸和水獺的一些身體特徵。

該團隊的多受體感測系統，引進科學進步，可用於增強機器人、觸覺和義肢系統的感測能力。

「在一次談話中，我 9 歲的女兒 Oriana Wei 向我講述了她在英國觀看的一部鴨嘴獸紀錄片，」該論文的主要作者 Di Wei 告訴 Tech Xplore。“她問：‘你知道鴨嘴獸是一種產卵哺乳動物，不依靠眼睛捕獵嗎？’

“她的問題激發了我對鴨嘴獸感官能力的好奇心。這種好奇心促使我對鴨嘴獸非凡的感官系統進行了更深入的探索，最終激發了這項研究的靈感。”

鴨嘴獸具有獨特的雙重感覺系統，使其有別於其他各種水生和蛋生動物。這種複雜的感覺系統使其能夠檢測環境中的電氣和機械變化，從而增強其在不依賴視覺的情況下發現獵物或潛在威脅的能力。

「我們的目標是複製鴨嘴獸的能力人造皮膚魏說：「它結合了觸覺和遠端感知功能。我們的主要目標是擴展人工系統的感知範圍，使機器人能夠檢測環境並與其交互，而無需僅依賴身體接觸。

“這可以顯著增強機器人應用中的交互和控制，克服傳統觸覺感測器依賴直接接觸才能有效發揮作用的局限性。”

魏和他的同事開發的受鴨嘴獸啟發的皮膚設計基於兩個關鍵原理，即接觸起電和靜電感應。當它接觸到另一種材料時，兩種材料中電子雲的重疊有利於電子的轉移，最終產生摩擦電。這使得皮膚能夠感知觸覺刺激。

為了從遠處收集感官資訊（即遠端感知），皮膚依靠靜電感應。從本質上講，皮膚所基於的彈性體中奈米顆粒的結構化摻雜增強了介電極化，使系統能夠檢測帶電物體附近時電場的變化。

「就成分而言，多受體皮膚遵循單電極設計，」魏解釋。“它由 PTFE 和 PDMS 薄膜、嵌入無機非金屬奈米粒子以提高介電性能的結構化摻雜彈性體、充當電極的銀奈米線 (AgNW) 層以及提供靈活性和保護的 PDMS 封裝基板組成。”

魏和他的同事所發展的感測系統的主要優點是它的雙重感覺設計，它模仿了鴨嘴獸的電感受和機械感受能力。這種獨特的設計使皮膚能夠準確地檢測物體並以高靈敏度收集觸覺訊息，無論是在觸摸物體時還是在遠處。

Wei 說：“與通常依賴於檢測接近度或基本電容變化的傳統非接觸式或預接觸式感測器不同，我們的多感受器皮膚透過增強的極化機制提供了一種根本不同的方法。”

“由於電荷相互作用或表面電荷檢測較弱，傳統系統常常受到靈敏度和精度的限制。我們的系統通過利用結構化摻雜彈性體來增強電荷捕獲，從而放大局部電場並增強介電極化。”

當與深度學習技術相結合時，團隊的鴨嘴獸皮膚獲得了非常有希望的結果，能夠以 99.56% 的準確率快速識別材料，以及檢測遠處的物體。

與傳統的感測系統相比，傳統的感測系統經常難以在不同的環境中調節電荷和檢測物體，多受體皮膚被發現可以更好地控制其電荷，同時在動態現實環境中保持其穩定性。

「我們全面複製了鴨嘴獸的電感受機制，」魏說。「具體來說，我們發現彈性體中奈米顆粒的結構化摻雜對應於鴨嘴獸喙上高度有序的電感受器排列。這種獨特的設計顯著提高了靈敏度，從而實現精確的電荷捕獲。

“此外，我們發現多受體皮膚的強電負性反映了鴨嘴獸的單極性受體，實現了類似於其自然系統的動態電荷控制。”

研究團隊設計的皮膚可能有助於開發能夠感知遠處物體的新技術，也稱為遠端感知系統。這些系統可以具有廣泛的現實應用，從極端氣候下的環境監測到人機互動和自主機器人導航。

「實際上，這種鴨嘴獸雙感覺系統的仿生複製——結合了觸覺和遠程感知——標誌著多模態感測領域的重大進步，」魏說。“這項突破解決了傳統非接觸式感測器的局限性，能夠在充滿挑戰的環境中實現更準確、更可靠的性能。”

魏和他的同事最近的工作可能為開發其他依賴雙感測設計的感測系統鋪平道路。同時，研究人員正致力於透過增強其多功能性並促進其大規模部署來進一步改進其多受體系統。

魏說：“我們未來的研究將側重於增強電子受體的能力，不僅通過人工智能的更深入集成，而且通過推進材料創新來擴大電場感應範圍和精度。”

「具體來說，我們的目標是提高系統在極端或不可預測的環境中的適應性和穩健性。此外，我們將透過整合額外的感覺模式來完善電子受體，使其能夠響應更複雜的刺激並提供更廣泛的感知。

作為下一步研究的一部分，魏和他的同事還將嘗試優化系統的數據處理能力，使其能夠可靠地處理數據並即時準確地檢測物體。這對於需要快速處理感測資料的應用（例如自動駕駛車輛和人機介面）尤其有利。

「透過突破遠端感知和感官技術的界限，我們還希望擴大皮膚在先進機器人、醫療設備等領域的適用性，」魏補充道。

© 2024 Science X 網絡