电子皮肤-具有3D景深感觉的人工遥控触觉设备

图1：生物和人工感觉运动系统的示意图。(A) 生物感觉运动系统。(i 至 iii) 当接触刺激施加于皮肤表面时，会产生兴奋电位并沿感觉神经和突触传递至脊髓/大脑。(iv to vi) 然后，动作电位通过运动神经传递，并有助于神经肌肉接头，从而最终引起相应的活动。(B) 人工和增强的感觉运动系统。(i 到 iii) 在人工 3D-RTS 中，DOF 机械刺激触发 3D-RTD 通过静电极化和电子转移产生感觉电位尖峰。(iv to vi) 然后，动作电位通过中央集成电路传递以激活肌肉收缩。

图2：3D-RTD的实验和模拟结果。(A) 柔性和可拉伸自供电 3D-RTD 的光学和扫描电子显微镜图像。(B) 插图显示了 3D-RTD 的工作原理，外部自然带电的活性物体与构建的导电-介电异质结构之间的相互作用增强。(C) COMSOL 进行有限元模拟，以呈现带电有源物体接近或远离时 3D-RTD 内部的 3D 电场强度和相应的 2D 电场线的变化。活动物体的运动模式与相应的电位信号之间的关系：（D）接近分离运动，（E）可变末端高度，和（F）可变运动频率。请注意，除非另有说明，否则 3D-RTD 在所有测试期间都通过电极保持接地。(C) COMSOL 仿真中的电场线总数设置为 15，以更好地呈现传感变化。在所有实验中都使用具有天然负电荷的 PVDF 薄膜作为活性物体，没有电极化。对于 (D) 到 (F)，活动对象在垂直于 3D-RTD 表面的方向上移动，运动频率代表一轮运动时间的倒数。(G to I) 4通道电极3D-RTD的3D传感功能及相关编码，其中[1]/[1']表示正/弱正信号，[0]/[0']表示负/弱负信号。

图3：集成到神经肌肉系统中的人工 3D-TDS。(A) 系统 I 的示意图，3D-RTS：获取自由度机械运动，3D-RTD 附着在大鼠背部；系统II，刺激和力测量系统：来自系统I的感觉电位被同步传输到具有放大的神经生理刺激器。正信号传送到刺激电极1，刺激大鼠胫骨前肌；负信号被传送到刺激电极2以刺激小腿三头肌。(B) 大鼠实验条件的数字图像：分别与腓总神经和胫神经相连的刺激电极 1 和 2。(C) 感觉信号与从活大鼠同步获得的响应足部位置之间的关系，分别无刺激和无响应（零）、物体接近和踝关节屈曲（+）、物体分离和踝关节伸展（-）。(D) 上述三种情况下对应的肌电信号之间的关系。(E) 连续信号曲线显示感觉电位与后肢响应伸展或屈曲肌肉收缩力之间的关系。（F 和 G）与活动物体的运动高度和频率相对应的力响应的量化。

图4：基于3D-RTS的避障应用。示意图：（A）传统和我们在盲人避障方面的比较，（B）通过大脑活动和运动反馈来验证 3D-RTD 在 DOF 感知中的可行性。(C) 实验场景正面示意图：一只老鼠在昏暗的平台上奔跑。(D) 刺激后体感诱发电位 (SEP) 的记录：来自单个通道的原始痕迹，经过八次试验。(E) 目标大鼠实时足迹的平台底视图数字图像，其中黑色标记表示障碍物的位置。较大的版本显示了正常/异常大鼠身体方向和完整/不完整足迹的比较。(F) 步态分析的定量结果：打印面积和摆动速度。灰色阴影区域代表进入和之后的感觉。