JSL电子皮肤工作室

Jiabin Science Laboratory

E-skin/Electronic Skin

暨JSL电子皮肤工作室

E-skin/Electronic Skin·电子皮肤工作室·中长期规划纲要

Care for the society!


一、拟开展研究工作摘要

1. 摘要: 本选题的选题来源于硕士毕业课题和硕士期间参与的静电纺丝、柔性电子皮肤的增材制造(3D打印)技术相关研究项目,是硕士期间研究工作与进一步的工艺制备技术的延续。 本选题的应用背景直接来源于增材制造(3D打印)的打印领域,同时也对电子皮肤的打印技术有参考价值。选题的工作内容主要是柔性电子皮肤制备工艺与技术、磁场-电场参数匹配设计,探讨通过磁场与电场的参数匹配实现金属丝打印电子皮肤的方案。

本选题首先应用了增材制造(3D打印)技术的理论支持特点,在产品设计的功能和需求、结构特性等方面,建立了产品设计过程的草图构思、草图设计方案到三维造型设计方案;考虑增材制造(3D打印)技术数学、电磁学模型,并初步揭示了磁场-电场耦合技术的机理;以打印通道和微流控技术优化为目的,建立了磁场-电场模型,并分析了磁场-电场耦合的特性;应用机械系统动态建模、 运行监控与寿命预测、机械工程、电子工程、动态测试等学科的设计方法和知识框架,设计和完善产品技术方案的同时,也做了一些生物打印和医学方面的工作。

本选题从柔性电子皮肤的制备及基本参数设计开始,研究构建了增材制造(3D打印)技术的理念和方法在磁场-电场耦合技术的在电子皮肤产品设计、产品开发、功能和需求的过程中的设计方法和理论框架,增强了电子皮肤产品的技术集成性和理论支撑,将最终设计的产品应用到具体的生物打印、医学和电子皮肤等领域。


二、拟开展研究内容 2. 研究内容 PartA: 柔性电子皮肤的力粘磁耦合模型分析

本部分主要采用电容式织物压力传感器技术,以良好导电信号的石墨烯、硅基等材料为柔性基体结合丝网印刷技术,降低了压敏传感单元的尺寸,并保证了柔软度和易集成织物表面的特性,包括电子电路的设计。最后,对电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性,为可穿戴人工仿生皮肤研究中对穿戴舒适性的要求提供了一种解决途径。

具体研究的内容如下:

Part A:柔性电子皮肤的力粘磁耦合模型分析

(A-1)柔性电子皮肤的电容式织物压力传感器技术;

(A-2)柔性电子皮肤的压敏传感单元和电子电路的设计;

(A-3)柔性电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性。

Part B: 柔性电子皮肤的增材制造(3D打印)技术微观模型研究分析

电子仿生皮肤织物材料制备完成以后,需要对制备出来的织物材料进行基本参数计算和模拟,同时利用课题组的实验装置进行电阻率、柔性、强度、薄膜厚度和微观表征等参数检定,并进行验证,为电子皮肤产品在工业领域的应用提供理论基础。

具体研究内容如下:

(B-1)柔性电子仿生皮肤织物材料的特性计算模型;

(B-2)柔性电子皮肤织物材料的基本参数的计算方法;

(B-3)柔性电子皮肤织物材料的基本参数的检定。

Part C:柔性电子皮肤的柔性行为分析和研究Skin-like(类皮肤)

皮肤织物材料为基材,在其表面制备柔性的电子电路薄膜,对涂覆纳米量级薄膜进行电化学侵蚀性能测试研究。通过对比试验,对织物薄膜耐侵蚀性能进行评价。同时,为提高电子皮肤应用于生物和医学等领域的寿命提供参考。

具体研究内容如下:

(C-1) 柔性电子皮肤增材制造(3D打印)柔性材料行为和动态分析;

(C-2) 柔性电子皮肤的力学-摩擦学模型分析;

(C-3) 柔性电子皮肤的柔性、物理学、力学和摩擦学特性;

(C-4) 柔性电子皮肤的力学-摩擦学特性与打印速度、压力和温度等分布之间的关系。

拟解决的主要科学问题:

(1)柔性电子材料的自愈特性研究,涉及到到功能部件材料的自适应性研究;

(2)柔性电子材料的系统动态建模与传感技术研究,涉及到信息的传递与数据存储;

(3)柔性电子材料的可穿戴特性与医学用途研究,涉及到生命体检测的实时数据,如日常的活动数据检测与潜在的疾病预测等。

拟解决的主要工艺难题:

(1)柔性电子材料的微小信息数据通道制备工艺技术研究;

(2)柔性电子材料3D打印制备过程中的机械系统动态建模、 运行监控与寿命预测研究。


三、拟开展研究项目的背景及国内外现状(列出必要的、直接引用的中外文参考文献)

3.研究背景

3.1 3D打印基础理论方面

3D打印(3D Printing)技术,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在1976年,P.L. DiMatteo[1]提出了3D打印技术的原理和工艺技术。 本选题应用增材制造(3D打印)技术方面的技术,研究、设计和制备电子皮肤薄膜,研究金属丝打印技术和磁场-电场耦合技术在Skin-like(类皮肤)皮肤制备方面的生物和医学应用。

本选题探索形状记忆材料增材制造新原理和新工艺,形成与制造工艺匹配的改性技术和专用材料;研究形状记忆材料增材制造结构的智能变形行为,揭示从成形材料组织、性能、功能到制品行为的映射规律;发展基于形状记忆材料增材制造的智能仿生结构设计技术以生物医疗、智能材料等领域的复杂结构及传感器为目标开展功能应用验证。增材制造(3D打印)技术在电子皮肤领域的制备方案,如图1所述:

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图1 增材制造3D打印技术在柔性电子皮肤领域的制备方案

增材制造(3D打印)柔性电子皮肤打印技术是指使用生物3D打印技术制造人体生物组织,打印的Skin-like(类皮肤),这种组织可以复制人体皮肤的某些技能和行为。Yeong W Y [2]等人提出一种生物技术和分析了生物技术在3D打印行业的巨大应用前景。实际打印的生物组织产品,可以加速电子皮肤、智能材料、护肤品等等领域的研发与生产。

《“十三五”国家科技创新规划》将“增材制造(3D打印)技术”作为国家重大战略需求的基础研究内容,同时把“增材制造与激光制造”列入国家重大专项任务之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》(2017年5月),提出了基于增材制造的智能仿生结构设计技术(基础前沿类),国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。未来二十年,我国将成为增材制造(3D打印)制备数量级最大的国家。

3.2 柔性电子皮肤理论方面 柔性电子皮肤,一种可以让机器人产生触觉的系统,其结构简单,可被加工成各种形状,能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。R. Hahnlen [3]等人研究“智能材料”,提出“材料自身也可以具有一定自适应性的特点”。 该项技术关键点在于一种名为QCT的复合材料,由MIT(美国,麻省理工学院)的技术人员研发而成。其他类似发明还有日本和飞利浦公司研制的电子皮肤。电子皮肤的设计和工艺方案,如图2所示: 22

图2 柔性电子皮肤的设计和工艺方案

日本东京大学的Takao Someya[4]教授和研究团队研究团队,首先通过静电纺丝技术,将生物兼容性良好的水溶性聚合物聚乙烯醇(PVA)的纳米纤维编织成网状。接着,在其表面覆盖薄薄一层金(厚度为70-100纳米)作为导电材料。使用的时候,将其放在皮肤表面并喷洒一些水,PVA会溶解并形成几十纳米厚的粘合剂层,从而使金纳米网粘附在皮肤上。这种透水透气的“电子皮肤”可以很好地贴合在不规则的皮肤表面,对皮肤纹理、指纹、皱纹都没有影响。需要去掉时,将PVA完全溶解之后,清洗就可以。

此时,金纳米网不会继续粘附在皮肤上。不同于Takao Someya教授的研究,Nadia Drake [5]等人提出“机器人智能皮肤”的概念,将“智能”、“可控”和“自适应”技术应用到电子皮肤领域。 Takao Someya教授通过与皮肤科医师进行合作,研究人员研究了这种“电子皮肤”对皮肤的刺激性。在一周的时间内,在志愿者前臂上使用此种“电子皮肤”没有发现任何皮肤刺激或是炎症。而其他两种传统的基质——聚对二甲苯薄膜和硅树脂薄膜——则会发生轻微的反应,如瘙痒、刺激、干燥等。研究人员将该“电子皮肤”的这种优势归功于纳米网的多孔结构所带来的高透气性。 研究表明,纳米网“电子皮肤”显示出极好的生物兼容性非常好,这种纳米网“电子皮肤”还有非常好的柔性。在反复拉伸至原始长度的140%(类似人类关节处皮肤在伸直和弯曲时候的拉伸程度)之后,性能并没有明显下降。研究人员还成功地将其应用于皮肤无线传感器系统中。 纳米网的结构设计方案,如图3所示: 33

图3 纳米网的结构设计方案

指尖微型传感器的触觉、温度、压力电信号可以通过露指手套上的无线传输器件传递到笔记本电脑中。Scott Jung [6]等人提出“可应用于电子皮肤技术的可伸缩太阳能电池”技术。此外,研究人员还用此纳米网“电子皮肤”检测来自弯曲肌肉的电信号,从而直接记录肌电图。 在 2018年2月19 日的《Nature》上发表的文章中,斯坦福大学鲍哲南[7]教授团队团队描述了两项技术上的突破:第一是她们创造了一个可伸缩的聚合物电路,用集成的触觉传感器可以检测一个人造的小虫的微弱的足迹。虽然这项技术成就本身就是一个里程碑,但第二个则是更为实际的进展,是一种大规模生产这种新型柔性、可伸缩电子原件的方法——这是商业化道路上的关键一步。新型柔性、可伸缩电子原件,如图4所示: 44

图4 新型柔性、可伸缩电子原件

该研究团队实现了数层聚合物的整合,它们其中一些提供了装置的可拉伸性,其他的作为绝缘体隔离电子敏感材料。Boland T [8]等人研究了细胞哦打印的特点,给出了材料结构设计的模型。其中有一个环节,他们使用了喷墨打印机,在特定的涂层上进行电路绘制。该团队已经成功地将其材料做成了大约两英寸的正方形,其中有 6000 多个独立的信号处理装置,就像合成神经末梢一样。所有这些都封装在防水保护层中。这个原型可以被拉伸到原来的尺寸的两倍,同时又能保持它在没有裂缝、分层或褶皱的情况下导电的能力。为了测试耐久性,研究小组对样本进行了超过 1000 次的拉伸,但没有造成明显的损伤或灵敏度下降。Fox News[9]报道了一种“应用于病人病情追踪的监控系统”。当研究人员将他们的样本粘在人手上这种不规则的表面时,效果也依然非常好。熊卓 [10]提出软骨组织在设计和制备过程中的工艺难点和低温沉积制造技术。 英国格拉斯哥大学的一个研究团队开发出了一款灵巧的“电子皮肤”系统,它能够进行压力测试,并且反应灵敏,该团队也已经找出如何利用阳光来激活该电子皮肤系统。阳光可以用来驱动传感器阵列以激活人造假肢的“触觉”,相关的成果于本月发表在著名期刊《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

格拉斯哥大学的“可弯曲电子产品和传感技术”项目的负责人Ravinder Dahiya表示,他们目前考虑的不仅是电子皮肤的灵活性或者分布式传感器的性能,而且也在考虑如何使电子皮肤能够自己供能。 Ravinder Dahiya利用的是石墨烯这种二维材料,由单层碳原子构成呈蜂窝状、规则排列的平面结构,属于二维六角点阵,也可以简单的地认为石墨烯就是单层的石墨。石墨烯具有一系列其他材料无可比拟的性能,如高强度、高弹性模量。它也是世界上最薄、导电、导热性最好、几乎最透明的新型纳米材料,透光率可达98%。这款人造皮肤就用了石墨烯优异的透光性,石墨烯上面覆盖着一层透明的保护层,下面是光伏电池,光能够透过石墨烯被下面的光伏电池所吸收。 该团队利用假肢对他们的人造皮肤进行了测试。

结果表明:当皮肤上的皮肤贴片启用后,假肢能够像正常手一样感觉并握住软物体;但是当不再使用皮肤贴片时,假肢将会把物体捏碎,这就相当于皮肤失去了触觉。这个研究团队的研究成果表明,每平方厘米的这种皮肤只需要20纳瓦的功率。因此,光伏电池捕获的能量不得不立即被使用。但是,该团队也提出来另一个原型,这个原型包括使用灵活的超级电容器来储存多余的能量。 他们正在努力扩大石墨烯在假肢或机器人上的使用规模。在2015年,该团队已经率先提出了一种以廉价方式生产大片石墨烯的方法。Dahiya希望最终仅需1美元就能使用5~10厘米规模的石墨烯材料制备这种人造皮肤。石墨烯在假肢或机器人上的使用,如图5所示: 55

图5 石墨烯在假肢或机器人上的使用

通过表面改性剂辅助下的物理方法,获得成本较低的石墨纳米片。这种石墨纳米片与石墨烯的性能非常接近,可以工业化制备和供给。如何让智能机器人更像人类,只给它提供听觉、视觉,让它能与人对话,这似乎还远远不够。Scott Jung[11]等人的研究表明“电子皮肤是具有自我修复功能”的技术。因为在人类的五感中,除了听觉和视觉,还包括触觉、味觉、嗅觉。机器人不需要吃饭,那么味觉和嗅觉似乎就不那么重要了,但触觉作为最重要的定位手段,则是机器人应该具备的。而这些可以被“感知”的要素,是可以通过第三方的技术和织物载体监控和自我修复的。

柔性电子材料近几年的研究取得了很大的进步,其中有关石墨烯等新材料的研究异常火热,可应用于各类柔性传感器,如压力传感器、触觉传感器、气体分子传感器等,具有高灵敏度、可弯折等优点,使之具有可穿戴性。Zee News[12]报道了一种新的概念,“现在,人造皮肤可以感觉到触感并自我愈合”,将“人造电子皮肤”的技术系统进行了阐述。 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院王华涛[13]副教授课题组,最近致力于研究新型柔性电子皮肤,通过把石墨纳米片加入到弹性高分子体系里,可形成一种高柔性、高灵敏度的电子皮肤,厚度仅为40微米。 课题组通过把石墨纳米片和弹性高分子均匀混合制得了分散均匀的纳米混合物,再通过涂布法制得复合薄膜,通过一系列封装工艺制得柔性电子皮肤。高的灵敏度和高柔性使得其能够在不同的应力应变条件下均有良好的响应,在可穿戴电子领域里将会有广阔的应用空间。与以往所见的仅局限于实验室研究的电子皮肤相比,该研究还提供了一种可以大量生产的工艺,这个进步对柔性电子器件的发展具有重要意义。电子皮肤大规模生产的工艺,如图6所示: 66

图6 电子皮肤大规模生产的工艺

解决了成膜工艺后,王华涛课题组又着手开始进行石墨烯制备工艺的改良。石墨烯具有优异的力、热、电等特殊性能。但传统的石墨烯制备方法例如化学气相沉积法(CVD)、物理剥离法和氧化还原法等,这些工艺较为复杂且制备成本较高。 在工艺研究方面,还有研究团队提出以石墨为原料,通过表面改性剂辅助下的物理方法,获得成本较低的石墨纳米片。Xu, S [14]等人研究了一种“微纳材料的三维结构”,提出电子皮肤软性材料的三维空间结构。而且,这种石墨纳米片与石墨烯的性能非常接近,可以工业化制备和供给。

柔性电子皮肤实现量产,或许能够有效推动电子皮肤的下游应用,如柔性压力传感、声音识别、VR技术等应用领域。以可穿戴设备举例,电子皮肤的量产,可以扭转人们对于可穿戴智能设备的印象,让它们不再像头盔般坚硬,而是像衣服般柔软。Jon M. Chang[15] 等人提出“电子皮肤与指尖的响应与互动”技术,这项技术甚至可以将体积一再缩小,成为人类皮肤上的“电子纹身”,被誉为“以柔克刚”的技术。 在接下来的研究过程中,人们可以通过扫描柔软芯片贴在皮肤上的“电子文身”,获取资讯信息甚至完成支付行为。J. Ok [16]等人提出一种“柔性超性能薄膜材料”。也就是说,这款文身甚至可以代替你的钱包,以及代替手机的无线支付功能。而且,这种“以柔克刚”的方式,将为假肢制造、机器人设计等领域搭起了桥梁。Y. Maeda [17]等人也提出一种“柔性材料”的结构,建立了微观结构模型。 柔性电子皮肤在VR领域的技术应用,可让你操纵虚拟物体,一项最新开发出来的技术可能会彻底改变虚拟现实(VR)的未来。这种技术被称为电子皮肤它是柔软、可弯曲、可穿戴的技术,允许用户操纵仅存在于虚拟世界中的物体。电子皮肤在虚拟现实(VR)领域的应用,如图7所示: 77

图7 电子皮肤在虚拟现实(VR)领域的应用

“E-skin”(Electronic Skin,电子皮肤),是一种可以在手上戴上的薄膜,并通过与附近的磁铁相互作用操纵物体。由于佩戴者的手部角度不同,电压会有所不同。Hou, Linlin[18]提出“用于体外排汗仿真和测试的人造微流体皮肤”技术,这项技术的可以通过VR/AR(虚拟/现实)技术得到更广的应用,包括关闭虚拟灯开关、在虚拟键盘上打字,还可以应用于人体的生理特征参数的监控和预测,预防疾病的发生。 德国HZDR研究所的研究员吉尔伯特·圣地亚哥·康农·门德斯表示,电子皮肤并不是用来替代现有虚拟现实技术的。更有可能的是,它将与其他与VR兼容的技术混合,以创造互动感更强的体验。但是,除了VR,电子皮肤技术还可以大大改变增强现实(AR)的当前能力。

使用AR技术,你可能会看到你周围的世界可能没有实体的物体。而使用电子皮肤,将来你可能会操作并与这些虚拟对象交互。 除了这些有趣的应用之外,电子皮肤还可以让人装备假肢,从而更容易地操纵虚拟技术。美国科罗拉多大学波尔得分校研究人员开发出一种新型“电子皮肤”,它具有延展性,可自我修复,可完全回收,可应用于一系列领域,例如:机器人、义肢、生物医电装置。科罗拉多大学波尔得分校的助理教授 Jianliang Xiao 与该校化学和生物化学副教授 Wei Zhang[19] 一起合作领导了这项研究。这项研究的相关论文发表于《Science Advances》杂志,研发的这种新型电子皮肤中嵌入了传感器,这些传感器可以测量压力、温度、湿度和气流。这种电子皮肤含有新型共价键动态网络聚合物:聚酰亚胺(polyimine),连接着银纳米颗粒,因此具有更好的机械强度、化学稳定性和导电性。电子皮肤中嵌入传感器的产品设计方案,如图8所示: 88

图8 柔性电子皮肤中嵌入传感器的产品设计方案

美国科罗拉多大学波尔得分校开发的这种新型电子皮肤另外一项优势就是,通过向它施加适度的热量和压力,而无需过度的压力,它就可以轻易地贴合到弯曲的表面上,例如人体手臂和机器手。电子皮肤以及传感器受伤或者断裂后的愈合,需要使用处于乙醇中的三种商用成分。 为了回收皮肤,该装置被浸泡到可回收的溶液中,让聚合物可以降解为低聚物(通常是指聚合度低于10的聚合物)和单体(可以连接在一起形成聚合物的小型分子),它们可以溶解于乙醇中。银纳米颗粒下沉到溶液的底部,工艺如图9所示: 99

图9 银纳米颗粒下沉到溶液底部的工艺

这种可回收的溶液和纳米颗粒可用于制造新的功能性电子皮肤。Xu, J [20]等人研究了纳米级薄膜效应的问题,提出一种高分子材料的电子仿生产品。 Xiao 表示:“这项研究独特之处,我们使用的聚酰亚胺的化学键使得电子皮肤可以在室温下自我愈合并完全可回收。全世界范围内每年产生几百万吨的电子垃圾,我们的电子皮肤的可回收性将带来很好的经济和环境效益。”Zhang 表示:“比如,你想要一个机器人照顾婴儿,你就可以将电子皮肤集成到机器人手指上,让它可以感知婴儿的压力。这个创意旨在通过具有期望功能的电子皮肤,尝试模拟生物皮肤。” 一个新的柔性电子皮肤允许佩戴者隔空操纵虚拟物体。如果能与VR/AR技术结合,该设备将可以让我们获得更具沉浸感的虚拟体验。这一项新开发的技术或将彻底改变VR的未来。创新的电子皮肤,即所谓的E-skin,是一种柔软、可弯曲和可穿戴的技术,允许用户操作仅存在于虚拟世界中的物体。Zhanan Zou等人[21]的研究提出“通过动态共价热固性纳米复合材料实现可重新加热,完全可回收和可塑性电子表层”技术,在微观领域研究电子皮肤薄膜的特性。 这种柔性电子皮肤是一种薄膜,可以戴在手上,并与附近的磁铁相互作用,而设备电压则会根据佩戴者的手的角度发生变化。Lacour [22]等人提出一种“软性电子皮肤”的概念,借助专门设计的软件可以控制每个增量角度发生的情况,从而使佩戴者手部的运动能够指定特定的命令。

据悉,这种技术可应用于关闭虚拟灯开关和在虚拟键盘上打字(两者的效果都十分明显)。 附在手掌上的电子皮肤使他们能够以某种方式移动到靠近磁铁的地方来控制光线 研究作者Gilbert Santiago Cañón Bermúdez是德国Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossendorf离子束物理和材料研究所的研究员,他表示,电子皮肤并不是为了取代目前的VR技术而设计的,而是与其他兼容VR的技术混合在一起,创造更有机的互动体验。手掌上的电子皮肤结合VR的设计方案,如图10所示: 图片1

图10 手掌上的电子皮肤结合VR的设计方案

现有的VR设备主要使用摄像头来检测和跟踪动作。虽然它可能会随着时间的推移而不断提高,但这种方法的分辨率通常不足以记录手指和其他更微妙手势的精细运动。随着这种电子皮肤的引入,不仅可以检测到这种精细运动,还可以用它们来操作虚拟环境并与之交互。标准的VR技术(从游戏到学习体验)的影响是显而易见的。但是,除了VR之外,电子皮肤技术同样能够大幅提升AR体验。使用AR技术,你可能会看到身边并不存在的世界中的物体。而有了电子皮肤,将使与虚拟物体进行交互变得更加自然和直观。 除了这些有趣的VR/AR应用外,电子皮肤还可以与假肢搭配使用,从而让用户更容易地操纵虚拟技术。电子皮肤也可以被纳入假肢装置,甚至是软机器人技术中。在危险的情况下或高风险工作中,这种技术可以与虚拟按钮、控制器或门一起使用,实现无需物理交互的操作。对于那些处理爆炸物或其他特别危险的工作人员,这或许能减少受伤的可能性。 目前,电子皮肤的研究员正在使用冰箱磁铁大小的磁场,而他们也正在向更小的领域努力,以便用更精细的手势来控制技术。 可穿戴电子设备不仅能极大方便日常生活,而且在生物医学工程中也占据着重要的地位。柔性“电子皮肤”作为可直接与人体接触的可穿戴电子设备,在实时监控人体健康状况甚至智能药物递送方面有着重要的应用。但是,目前柔性电子皮肤高昂的制作成本、繁琐的制备步骤,成为其大规模制备和应用的瓶颈问题。

近日,韩国建国大学(Konkuk University)能源工程系的Yongseok Jun[23]教授研究团队基于将导电的还原石墨烯氧化物(RGO)片层附着在柔性多孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,构筑了一种多功能、高性能的石墨烯基应力传感电子皮肤。研究人员通过蒸汽刻蚀(steam-etching)构筑多孔PDMS基底,经过3-氨基丙基三乙氧基硅烷修饰后浸涂氧化石墨烯(GO)涂层,基于引入Cu2+作为交联点实现了GO片层的可控多层构筑,最后采用HI溶液或蒸汽进行选区还原,得到不同图案化的RGO/多孔PDMS(RGO/pPDMS)柔性电子传感器件。该研究所报道的柔性电子皮肤构筑方法简便,未涉及复杂的真空溅射等步骤,器件结构可控、制备成本低、便于大规模制备。RGO/pPDMS柔性电子皮肤的制备过程,如图11所示: 111

图11 RGO/pPDMS柔性电子皮肤的制备过程

通过简单的浸涂自组装次数的控制,可以精确调控表层RGO的层数(1~6层,分别标记为1C~6C)。随着RGO层数的增加,体系内电子渗透网络增加,器件的导电性等性能显著提升。RGO/pPDMS(6C)柔性器件具有较低的表面电阻(1.5 kΩ/平方)、高灵敏性(gauge factor = 7-173)以及较宽传感范围(高达40%应变)。同时,这种材料还展现出卓越的可拉伸性和可弯曲性,弯曲93°对其性能基本无影响,耐拉伸形变可高达150%,能够耐受高达5000次的循环拉伸试验。此外,研究人员在多孔PDMS表面沉积银纳米线和喷金构筑AgNWpPDMS和AuTFpPDMS柔性电子器件,与RGO/pPDMS(6C)性能进行对比,测试结果表明石墨烯基柔性电子器件性能更为优异,如图12所示: 222

图12 石墨烯基柔性电子器件性能

RGO层数对器件性能影响及器件的可拉伸性能测试过程中,研究人员对器件的实际应用性能和稳定性进行了系统的测试。研究团队通过将RGO/pPDMS(6C)柔性石墨烯基电器件植入老鼠背部进行组织学分析应用测试。在无湿凝胶辅助情况下,还是用这种材料对人体进行了动态心电图(ECG)、脑电图(EEG)、肌电图(EMG)、包括膝部/指部等应变较大部分的一系列传感应用测试。结果表明该柔性应变(应力)器件与人体皮肤具有较好的共性接触性能,拉伸形变40%仍具有较高的灵敏度(gauge factor = 7-173),同时器件具有优异的性能稳定性。 RGO/pPDMS柔性传感器件的应用测试,通过在多孔PDMS表面构筑RGO膜层简便构筑了具有高灵敏度、多功能性和优异生物兼容性的柔性电子传感器件。该柔性电子器件在人体各种生理体征的检测应用方面展现出优异的实用性,这无疑将进一步拓展石墨烯基材料的应用范围,更好的推动生物医学领域石墨烯从实验室走向工业化。基于其制备方法简便、成本较低,便于器件的大规模制备,该研究成果无疑将极大的推动新一代2D可穿戴柔性电子皮肤的发展。

人体皮肤是一个活跃、非常敏感和高弹性的感觉器官,主要承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。人体躯体感觉系统能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器将外界环境刺激转化为电脉冲信号,经过神经通路传导至神经中枢,从而使皮肤获得触觉、痛觉等感觉功能。基于皮肤这种多功能生物模型,科学家们开展了一门新兴学科研究:触感电子学,俗称“电子皮肤(Electronic skin, E-skin)”,用来模仿皮肤的感觉功能,如:触觉、温度感知等功能。目前,电子皮肤是在柔性或弹性基底上制作具备探测压力、温度或其他刺激的传感器及阵列,能够感知周围环境中的各种物理、化学、生物等信号,将有助于开发新型人机接口、智能机器人、仿生假肢等智能化系统。电子皮肤的重要发展趋势是:多功能化以及多重刺激同步监测。 中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员和王中林院士[24]的指导下,潘曹峰课题组化麒麟博士、鲍容容副研究员等人提出了一种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列,成功地将电子皮肤的探测能力扩展到7种,实现了温度、湿度、紫外光、磁、应变、压力和接近等多种外界刺激的实时同步监测。他们通过微纳加工技术,制备出了大倍率(8倍及以上,可根据需要设计)的聚酰亚胺(PI)拉伸结构网络,其中包括许多传感器节点和蜿蜒拉伸结构。基于这种拉伸结构网络,多种传感器能够以二维分布式或三维叠层式结构进行多功能化集成,并且多种传感单元可独立工作而不互相影响,同时可利用基底的可拉伸性能实现电子皮肤的探测面积扩张,并为其进一步的功能扩展提供了极大便利。

另外,他们还将这种电子皮肤用于制造了一种具有定制化功能集成的智能假肢,既能够赋予了假肢触觉功能,同时也使假肢具备了温度感知的能力,这将有利于改善残疾患者的康复及生活条件。多功能集成电子皮肤不仅可以实时同步监测周边环境多种变量,同时还能用于人体健康监测等领域。Someya [25]等人研究和提出一种“人工智能皮肤”的概念,能够使得触碰更好的“感知”外界环境参数。它将作为一种智能终端,构建新型的“互动网”(Internet of ‘action’, IoA),改变我们与科技的交互方式,让我们的生活因科技变得更美好。 人体躯体感觉系统是一种复杂的网络系统,能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器,将周围环境中的各种刺激(包括:压力、温度、湿度和光线等)转化为电脉冲信号,经过神经系统传导至大脑,从而使皮肤获得触觉、痛觉等感觉功能。Olberding [26]等人研究一种“薄膜技术”,这项研究成果具有可触摸和显示的特性。而人体皮肤作为一种敏感、高弹性感觉器官在人体躯体感觉系统中扮演着重要的角色,承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。而在临床医学(皮肤损伤患者)、仿生假肢智能化以及智能机器人研发等领域,需要某种仿生材料具备类似天然皮肤的感觉功能(如触觉、温度感知等功能)。

基于这些需求,研究人员开展了一门新型学科研究“电子皮肤”。然而,到目前为止,几乎没有研究报道表明有人造电子皮肤能够很好的模拟天然皮肤具有诸多感受功能。 最近,中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰教授团队和中国科学院王中林院士团队合作,提出了一种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列(SCMN),成功将电子皮肤的感知能力扩大到7种,实现压力、拉伸、温度、湿度、光线、磁场和感知距离等多种外界刺激的实时同步监测。研究人员通过微纳加工技术,制备大倍率(8倍及以上,可根据需要设计)的聚酰亚胺(PI)拉伸结构网络,其中包括众多传感器节点和蜿蜒拉伸结构。基于这种拉伸结构网络,多种传感器能够以二维分布式或三维叠层式结构进行多功能化集成,并且多种传感单元可独立工作而不互相影响。Webb, R. C [27]等人利用电子皮肤中的导电特性,将产品应用于人体某些部位的皮肤再生修复工作,具有比较高的医用临床价值。利用基底的可拉伸性能,可实现电子皮肤的探测面积扩张,为其进一步的功能扩展提供了便利。

研究表明,这种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列(SCMN)能感知外界的压力和压强(加载负荷、滴加水滴等)、感知离手指距离等刺激的变化。同时这种人造电子皮肤能对外界刺激做出可适应性调整。 研究人员进一步将这种个性化的人造电子皮肤应用到人造假手上。Sugiura等人 [28]研究和分析了“压力”和“触碰力”的微小作用,建立了“压力-摩擦力”模型。智能假手能智能的抓住和松开水杯,装有5个压力传感器的智能假手,在握住4个不同温度的水杯时,智能假手表现出不同的压力分布。表明了这种人造电子皮肤赋予了假肢触觉功能,也使假肢具备了温度感知的能力。 这项由中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员潘曹峰教授团队和中科院王中林教授团队合作完成,于2018年1月发表在Nature communication。

3.3 国内外现状

目前,国外研究电子皮肤技术的主要以日本的东京大学Takao Someya教授团队和美国斯坦福大学的鲍哲南(Zhenan Bao, Bao Labs)教授团队为主。其中,Takao Someya教授研究基于纳米网(nanomeshes)结构,开发出一种超薄、轻便、可拉伸且高度透气的电子传感器(被称为“电子皮肤”),可以被直接、长期用于人体皮肤,且不会对皮肤产生刺激或是引发炎症反应。鲍哲南教授研究高密度超敏感的电子皮肤有望实现大规模量产,通过将“人造皮肤”的概念推上了新高度给电子元件的发展奠定了基础,展示了可以感受到瓢虫腿儿的精密可拉伸电子元件,并且展示了能够大规模制造这种元件的工艺。 其中,斯坦福大学的Bao Labs的研究成果预测,在脑控技术(Control Technology for the Brain,CTB)日趋成熟的阶段,其“Skin-like”(类皮肤)的功能部件材料,由于其良好的导电与柔性和信息可存储与传输,以及能耗低等特性,将发挥关键性的左右。 人类可以通过多种方式感受这个世界,我们的视觉、听觉、嗅觉、味觉,还有触觉。

通过双手对这个世界的感知得益于我们敏感的指尖,在我们触碰火焰之前,就可以感受到它的热度,也可以感受得到新生儿面部的娇嫩和柔软。 英国格拉斯哥大学Ravinder Dahiya,团队,开发出了一款灵巧的“电子皮肤”系统,它能够进行压力测试,并且反应灵敏,该团队也已经找出如何利用阳光来激活该电子皮肤系统。阳光可以用来驱动传感器阵列以激活人造假肢的“触觉”。“可弯曲电子产品和传感技术”项目,目前考虑的不仅是电子皮肤的灵活性或者分布式传感器的性能,而且也在考虑如何使电子皮肤能够自己供能。 由于“E-skin”是一种可以在手上戴上的薄膜,并通过与附近的磁铁相互作用操纵物体。由于佩戴者的手部角度不同,电压会有所不同。这项技术的用途包括关闭虚拟灯开关、在虚拟键盘上打字,两者效果都非常不错。除了VR,电子皮肤技术还可以大大改变增强现实(AR)的当前能力。使用AR技术,你可能会看到你周围的世界可能没有实体的物体。而使用电子皮肤,将来你可能会操作并与这些虚拟对象交互,从而更容易地操纵虚拟技术。美国科罗拉多大学波尔得分校电子系统研究所,研究人员开发出一种新型“电子皮肤”,它具有延展性,可自我修复,可完全回收,可应用于一系列领域,例如:机器人、义肢、生物医电装置。沙特阿卜杜拉国王科技大学生物医学研究所,扭动的智能线,可以编织进压敏的“电子皮肤”,可以用于新式衣服,机器人和医学假肢。美国科罗拉多大学波尔得分校Jianliang Xiao助理教授,Wei Zhang 副教授 ,开发出一种新型“电子皮肤”,它具有延展性,可自我修复,可完全回收,可应用于一系列领域,例如:机器人、义肢、生物医电装置。

德国Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossendorf研究所Gilbert Santiago Cañón Bermúdez,离子束物理和材料研究所研究员,电子皮肤并不是为了取代目前的VR技术而设计的,而是与其他兼容VR的技术混合在一起,创造更有机的互动体验。现有的VR设备主要使用摄像头来检测和跟踪动作。虽然它可能会随着时间的推移而不断提高,但这种方法的分辨率通常不足以记录手指和其他更微妙手势的精细运动。随着这种电子皮肤的引入,不仅可以检测到这种精细运动,还可以用它们来操作虚拟环境并与之交互。在危险的情况下或高风险工作中,这种技术可以与虚拟按钮、控制器或门一起使用,实现无需物理交互的操作。对于那些处理爆炸物或其他特别危险的工作人员,这或许能减少受伤的可能性。 韩国建国大学(Konkuk University)Yongseok Jun,教授能源工程系研究团队,基于将导电的还原石墨烯氧化物(RGO)片层附着在柔性多孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,构筑了一种多功能、高性能的石墨烯基应力传感电子皮肤。研究人员通过蒸汽刻蚀(steam-etching)构筑多孔PDMS基底,经过3-氨基丙基三乙氧基硅烷修饰后浸涂氧化石墨烯(GO)涂层,基于引入Cu2+作为交联点实现了GO片层的可控多层构筑,最后采用HI溶液或蒸汽进行选区还原,得到不同图案化的RGO/多孔PDMS(RGO/pPDMS)柔性电子传感器件。该研究所报道的柔性电子皮肤构筑方法简便,未涉及复杂的真空溅射等步骤,器件结构可控、制备成本低、便于大规模制备。

国内研究柔性电子皮肤技术的主要以中科院的潘曹峰研究员和王中林院士、以及哈尔滨工业大学(威海)的王华涛副教授课题组为主。其中,中科院的潘曹峰研究员和王中林院士提出了一种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列,成功地将电子皮肤的探测能力扩展到7种,实现了温度、湿度、紫外光、磁、应变、压力和接近等多种外界刺激的实时同步监测。王华涛副教授课题组通过微纳加工技术,制备出了大倍率(8倍及以上)的聚酰亚胺(PI)拉伸结构网络,其中包括许多传感器节点和蜿蜒拉伸结构。将这种电子皮肤用于制造了一种具有定制化功能集成的智能假肢,既能够赋予了假肢触觉功能,同时也使假肢具备了温度感知的能力,这将有利于改善残疾患者的康复及生活条件。研究新型柔性电子皮肤,通过把石墨纳米片加入到弹性高分子体系里,可形成一种高柔性、高灵敏度的电子皮肤,厚度仅为40微米。课题组通过把石墨纳米片和弹性高分子均匀混合制得了分散均匀的纳米混合物,再通过涂布法制得复合薄膜,通过一系列封装工艺制得柔性电子皮肤。高的灵敏度和高柔性使得其能够在不同的应力应变条件下均有良好的响应,在可穿戴电子领域里将会有广阔的应用空间。 除此之外,德国HZDR研究所吉尔伯特·圣地亚哥·康农·门德斯研究员,可让你操纵虚拟物体,一项最新开发出来的技术可能会彻底改变虚拟现实(VR)的未来。这种技术被称为电子皮肤它是柔软、可弯曲、可穿戴的技术,允许用户操纵仅存在于虚拟世界中的物体。西安交通大学的许嘉宾研究团设计、制造桌面级的商业化磁场-电场耦合技术设备,如静电纺丝设备、3D打印设备,主要是通过磁场环境影响和平衡电场环境,在纳米级薄膜材料制备领域有一点点研究。

3.4 研究意义

柔性电子皮肤的“E-Skin”(类皮肤)特性,可模拟人类皮肤的高灵敏度柔性塑料薄膜电子皮肤材料,将具有由高灵敏的电子感应器组成,当无数的感应器连成一片时,就形成与人类皮肤相似的薄膜。Hammock [29]等人研究一种可以“进化和自适应的电子皮肤技术”,让电子皮肤具有一定的自我改进性能。比如,这种电子皮肤可以感知一只蝴蝶停在上面的压力,可以被广泛用于假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等。除此之外,电子皮肤还可以创造性研制出世界最新的可拉伸太阳能电池,使电子皮肤可以实现自我发电。如果将纳米材料作为这种皮肤,还可以增加了透明和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。

同时,也有科学家同时在研究人造电子皮肤的可拉伸性,但存在这样那样的问题。比如,有的导电率高却因需加很多碳纳米管造成不透明,有的虽可以拉伸却降低很多导电率。如果,把碳纳米管变成小弹簧,既简单又可以得到非常好的性能,拉伸幅度最大,导电率最高,比较实用。这样的研究方向和研究成果,会大大的推进电子产品的更新换代,以及电子皮肤在生物、医学Lissermann [30]等人提出一种“耳蜗设备技术”,将电子皮肤的产品应用到医学临床领域。等领域的临床应用,具有非常大的临床意义。 本选题将柔性电子皮肤的“Skin-like”工艺制备与功能部件的能耗研究作为近期目标(Near term),将人造柔性电子皮肤最终赋予与人类皮肤同等功能作为的长期研究(Long term)目标,需要增加温度、湿度等传感器,并能与神经细胞单元的交流。刘培生 [31]给出一种多孔材料孔率的测定方法,目前,生物和医学等领域的微纳传感器还不能与神经细胞交流,还需要用电线与细胞连接起来。以及讨论近期可实现的应用,比如“More near-term applications for Medical Research”的可能性。  

以此为据,这些研究方向都是值得研究与讨论的也是我攻读博士期间的主要工作和研究意义。


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[31] 刘培生. 多孔材料孔率的测定方法[J]. 钛工业进展, 2005, 6(22): 34-37.


  四、研究方案,包括所需理论基础、具体研究路线与方法,研究所需的仪器、设备名称、其它软硬件支持等。

  1. 研究方案

4.1 拟采用的研究方案(所需理论基础、具体研究路线与方法) 本选题将生物样品被分解成单细胞,并在一个模拟人体环境中以特殊的元素进行培养。利用3D生物打印平台,将3D打印生物组织的时间缩小。3D打印平台可识别关键架构和组成元素,有针对性的组织和创建特殊配方的生物墨水(Bio-ink)和多细胞构建模块。 柔性电子皮肤的增材制造(3D打印)技术和电子皮肤柔性行为研究拟采用的研究方案,如图13所示: 333

图13 拟采用的研究方案

3D打印的Skin-like(类皮肤),在工艺制备与表层薄膜处理之后,可以应用于面部损伤和烧伤的快速愈合中。建立增材制造(3D打印)柔性电子皮肤的磁场-电场计算模型,如下公式:   444 计算模型主要讨论两个创新点: (1)3D打印设备方面,研究磁场-电场效应与磁场-电场耦合技术; (2)Electronic skin方面,“Skin-like”类皮肤的系统动态建模与柔性特点。 建立电子皮肤的增材制造(3D打印)实施方案,如图14所示: 555

图14 建立增材制造(3D打印)电子皮肤的实施方案

主要研究内容,如下: Part A:柔性电子皮肤的力粘磁耦合模型分析 主要采用电容式织物压力传感器技术,以基体结合丝网印刷技术,降低了压敏传感单元的尺寸,并保证了柔软度和易集成织物表面的特性,包括电子电路的设计,最后对电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性,为可穿戴人工仿生皮肤研究中对穿戴舒适性的要求提供了一种解决途径。具体研究内容如下: (A-1)柔性电子皮肤的电容式织物压力传感器技术 电容式织物压力传感器实物图,以无纺布为柔性基体结合丝网印刷技术,降低了压敏传感单元的尺寸,并保证了柔软度(见图中II)和易集成于织物表面(见图中III),如图15所示: 666

图15 柔软度(见图中II)和易集成于织物表面(见图中III)

提升了电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性,为可穿戴人工仿生皮肤研究中对穿戴舒适性的要求提供了一种解决途径。 (A-2)柔性电子皮肤的压敏传感单元和电子电路设计 随着尖端材料科学研究的深入,石墨烯、碳纳米等特殊材料因超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性,被科学家认为是电子皮肤的优良“基底”。 本选题的电子皮肤电子电路设计原理图,如图16所示: 777

图16 电子皮肤电子电路设计原理图

(A-3)柔性电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性 对电子仿生皮肤的穿戴性与舒适性,建立可穿戴人工仿生皮肤研究计算模型,如图17所示: 888

图17 可穿戴人工仿生皮肤研究计算模型

Part B:柔性电子皮肤增材制造(3D打印)微观模型研究分析 电子仿生皮肤织物材料制备完成以后,需要对制备出来的织物材料进行基本参数计算和模拟,同时利用课题组的实验装置进行电阻率、柔性、强度、薄膜厚度和微观表征等参数检定,并进行验证,为电子皮肤产品在工业领域的应用提供理论基础。电子仿生皮肤织物材料的基本参数计算和模拟,如图18下: (B-1)柔性电子皮肤增材制造(3D打印)材料的特性计算模型 999 001

图18 电子仿生皮肤织物材料的基本参数计算和模拟

(B-2)柔性电子皮肤织物材料的基本参数的计算方法 先通过增材制造(3D打印)技术打印出一层硅酮,使材料具有弹性;再打印出两层导电层(一层在上、一层在下),作为电极;其次是线圈形状的压力传感器;最后是“牺牲”层,使所有东西保持原位。最后会被冲刷掉,不会出现在成品中。 能够“感受”并传送压力,功能与皮肤的触觉感受器差不多。科学成果应用领域如外科手术机器人安装这种仿生皮肤,就可以在手术过程中感受到周围环境。此外,它还能够让机器人拥有触感,帮助它们行走或更好地与环境互动。 (B-3)柔性电子皮肤织物材料的基本参数的检定 在介质液体(生物基体)中,考虑到微小碰撞和磨损的存在,必然会产生其他离子,形成原电池,产生电化学腐蚀。用电磁化学工作站对增材制造(3D打印)生物薄膜溶液进行测试,如图19所示: 002 003

图19 电磁化学工作站对增材制造(3D打印)生物薄膜溶液进行测试

Part C:柔性电子皮肤的柔性行为分析和研究 以Skin-like(类皮肤)皮肤织物材料为基材,在其表面制备柔性的电子电路薄膜,对涂覆纳米量级薄膜进行电化学侵蚀性能测试研究。通过对比试验,对织物薄膜耐侵蚀性能进行评价。同时,为提高电子皮肤应用于生物和医学等领域的寿命提供参考。涂覆纳米量级薄膜进行电化学侵蚀性能测试研究,具体研究内容如图20所示:

(C-1) 柔性电子皮肤增材制造(3D打印)技术的复合柔性材料行为和动态分析 004

图20 涂覆纳米量级薄膜进行电化学侵蚀性能测试研究

(C-2) 柔性电子皮肤增材制造(3D打印)技术的力学-摩擦学模型分析 电子皮肤涂覆纳米量级薄膜进行电化学侵蚀性能测试之后,需要建立3D打印电子皮肤的力学-摩擦学模型分析,如图21所示: 005

图21 电子皮肤的力学-摩擦学模型

(C-3) 柔性电子皮肤的柔性、物理学、力学和摩擦学特性 人体不同的生物组织有其特有的物理学、力学和摩擦学特性。Skin-like(类皮肤)皮肤的柔软,骨组织的坚硬致使在对不同组织的3D打印过程中,需要选择与组织特性相对应的生物材料,并且这些材料需要最大程度的保持所选择细胞的生物活性和功能。更重要的一点是,所选择的材料必须能通过3D打印系统进行操作。 (C-4) 柔性电子皮肤力学-摩擦学特性与打印速度、压力和温度等分布之间的关系 电子皮肤织物的温度、压力、弹跳等力学特性参数的测量,实验和研究工况参数(3D打印的速度、压力、温度等)变化时对电子皮肤的力学-摩擦学性能影响规律。一方面,研究与掌握其力学-摩擦学特性与打印速度、压力和温度等分布之间的关系。另一方面,研究工艺制备过程中的机械系统动态建模、 运行监控与寿命预测等。

4.2 研究所需的仪器、设备名称、其他软硬件支持等 本选题拟利用西安交通大学国家增材制造创新中心和西安交通大学前沿技术研究院(Frontier Institute of Science and Technology ,FIST)的实验室设备与资源,并与西安交通大学医学院、中国人民解放军空军军医大学(第四军医大学)等合作,已具备的试验条件包括: 柔性电子皮肤的增材制造(3D打印)技术和电子皮肤柔性行为研究过程中,Skin-like(类皮肤)薄膜的参数测定所需的仪器、设备名称包括:电子皮肤的测试试验和微观表征、椭圆偏光测厚仪、纳米压痕仪、傅立叶红外光谱、原子力显微镜、扫描电镜微观形貌表征。 柔性电子皮肤的测试试验和微观表征流程,如图22所示: 006

图22 电子皮肤的测试试验和微观表征流程


五、研究内容的创新点(不超过300字)

  1. 研究内容的创新点

柔性电子皮肤,一种可以让机器人产生触觉的系统,结构简单,可被加工成各种形状,能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。借助增材制造(3D打印)技术为皮肤搭起“桥梁”,柔性电子皮肤的应用绝不局限在医学领域,同3D打印、大数据等创新科技成果一样,柔性电子皮肤将为某些领域带来非常大的改变。 柔性电子皮肤的增材制造(3D打印)技术和电子皮肤柔性行为研究,在聚合体里面加入电传感石墨薄片。当受到触碰的时候,它的电阻会发生变化,这些变化立即被藏在皮肤表层下面的一系列晶体管察觉到。通过3D打印技术研发的电子皮肤可以应用到生物、医学、机器人、智能材料等领域。

1关键科学问题:

(1-1)柔性电子皮肤增材制造(3D打印)的工艺制备机械系统过程中的生长动力学;

(1-2)机械系统动态建模、 运行监控与寿命预测;

(1-3)柔性电子皮肤柔性行为的力学-摩擦学模型。

2主要创新点

(2-1)基于增材制造(3D打印)技术的生物薄膜制备方法;

(2-2)利用磁场-电场耦合效应的设计原理;

(2-3)柔性电子皮肤的力学-摩擦学复合的新型Skin-like(类皮肤)结构;

(2-4)利用电子皮肤柔性材料的天然特性,为电子皮肤在生物、医学等领域的应用寻找到较为合适的应用对象。


  六、研究预期取得的理论及技术成果 6. 研究预期取得的理论及技术成果 6.1 攻读博士研究意向及规划

攻读博士学位研究意向及规划甘特图士学位规划(甘特图)
内容/进度 时间进度 难度等级 专业领域讨论 跨学科领域讨论 实验、英文写作
基础积累 2019.9~2020.4 难+创新性  
阅读文献讨论Idea 2019.9~2020.10 适中+创新性  
关键技术、练习英文写作 2020.6~毕业 适中+创新性
初级阶段:研究、实践Idea验证 2019.9~2020.3 一般  
中级阶段:博士小论文创新点 2020.7~至今 创新性+难+跨学科讨论  
高级阶段:博士论文撰写观点、实验验证 2021.6~毕业 创新点+难+跨学科讨论  
成果完成:英文文章、专利 2021.6~毕业 挑战性+难  
博士学位答辩 毕业论文,大论文 2025.6~毕业 原创性+难

 6.2 研究预期取得的理论及技术成果

(1)建立电子皮肤的增材制造(3D打印)技术和电子皮肤柔性行为研究的数学、磁场-电场模型,初步揭示磁场-电场耦合技术的机理,以及柔性电子皮肤的3D打印制备工艺。

(2)提出柔性电子皮肤增材制造(3D打印)技术的设计和实施方案,分析制备工艺过程中的机械系统动态建模、 运行监控与寿命特性。初步设计和制备电子皮肤的Skin-like(类皮肤)薄膜,撰写和预期发表中英文论文1~2篇,申报专利1项。

(3)借助增材制造(3D打印)技术的工艺制备机械系统,将柔性电子皮肤薄膜应用到生物、医学等领域,撰写和预期发表英文论文1~2篇,申报专利1项。 综上,攻读博士学位期间,预期共申请发明专利1~2项、发表中英文论文2~3篇,其中至少EI检索1篇,SCI检索2篇以上。


  目前,“E-skin/Electronic Skin暨JSL电子皮肤工作室”在全球范围内招募合适的“技术员”和“研究员”。

申请方法如下: 进入Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)官方网站,点击“全球招募”,下载申请表格,根据申请要求完成申请。


  、医学、生物、机械设计和制造、统计学计算和分析软件

  1. 公司办公计算机安装软件版本说明

Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)办公软件需要在苏宁、国美等购买,保证计算机启动程序软件的正版,比如Windows系统、iOS系统等。 Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)和公司在完成研究课题过程中,所使用的计算机和软件分为办公计算机和雇员个人计算机。为了达到工作过程中很好的沟通性,对使用的软件版本进行解释。

在办公计算机应用程序方面,Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)和公司计算机需要安装相关领域的免费软件和开源软件,保证在办公计算机使用过程中,不被相关软件公司因为版权问题对Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)和公司进行起诉。 在雇员个人办公计算机应用程序方面,可以优先考虑和学校、研究所等单位沟通,安装学校已经被使用的软件版本。

不管是Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)和公司的办公计算机,还是雇员个人的计算机,在完成相应的研究课题之后,需要签署协议,以说明成果不被泄露和侵权。在研究课题过程中,所有研究成果均属于Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)和公司所有,任何人不得外泄成果,否则实验室和公司将通过法律程序对泄露成果和侵权的个人、团队等进行起诉,发律师函。

  1. 公司办公计算机安装免费正版、开源软件

(1)财务、数据整理软件:WPS(Word、Excel、PPT)

(2)PDF阅读器:福昕PDF

(3)压缩档软件:360压缩

(4)视频播放软件:暴风影音

(5)机械、建筑、水利水电等二维设计软件:浩辰CAD

(6)建筑三维设计软件:Google SketchUp

(7)数据统计和分析软件:R、JMP(免费三个月)、WPS-Excel

(8)机械领域公差分析软件:JMP(免费三个月)

(9)数据库软件:MySQL(隶属于Oracle/甲骨文公司的免费开源软件)

(10)心智地图软件:MindMap

(11)模型库、幂律、自然科学黏着效应分析软件:美国西北大学NetLogo4.0

(12)自然科学领域二维、三维网络图研究和分析软件:Pajek(http://pajek.imfm.si/doku.php)

  1. 公司雇员个人计算机安装非免费、非正版、非开源软件

(说明:建议找学校、研究所等单位沟通相关领域的软件使用权!)

(1)3D Printing CAM数据整理软件:WPS-Excel、Microsoft Word-Excel、PPT、PDF (2)统计学数据分析和计算软件:R、SAS、JMP、Matlab、和SPSS

(3)二维设计软件:AutoCAD、浩辰CAD、CAXA电子图版

(4)三维设计软件:CATIA、Solid Works、UG、ProE(Creo)、Sketch Up

(5)数控加工和编程软件:CimatronE、PowerMill、MasterCAM

(6)有限元分析和公差分析软件:Ansys、Abaqus、JMP

(7)视觉传达设计软件:Photoshop(PS)、Adobe Illustrator(AI)、Rhino犀牛、CorelDraw、3D Max

(8)运筹学、数学领域软件:Mathematica、Maple

Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)承接项目说明

Jiabin Science Laboratory (嘉宾科学实验室)承接“E-skin/Electronic Skin暨JSL电子皮肤工作室”项目,按照项目计划书中阐述的程序完成客户的订单,其联系方式见实验室网站里面的“联系我们”和“CONTACT US”。

紧急情况,直接发送实验室邮箱“xujiabin114@yeah.net”询问具体事宜,我们会及时回复客户的留言信息。

感谢您的选择。 我们倾听我们的客户。  

20169第一次思考Idea

2017年9月第二次完善

2019年1月初,第三次科研规划和修订

 

Jiabin Science Laboratory特此声明

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