IF:22.7 InfoMat：一种用于智能假肢的机器学习辅助多功能触觉传感器
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张挺团队在InfoMat杂志上发表了一篇题为“一种用于智能假肢的机器学习辅助多功能触觉传感器”的文章，提出了一种用于智能假肢的机器学习辅助多功能触觉传感器，为截肢提供了一种类似人类的触觉传感方法。能够以低交叉耦合的方式检测力和温度。此外，可用于区分物质。在决策树算法的辅助下，该设备被赋予热导率感知能力，可识别10种类型准确度为94.7%。此外，佩戴装有上述传感器的先进肌电假体的个人可以感知压力、温度并识别不同的材料。
01.文献信息文献题目：A machine learning-assisted multifunctional tactile sensor for smart prostheticsDOI: 10.1002/inf2.12463原文链接：https://doi.org/10.1002/inf2.12463
02. 主要内容01 研究背景义肢在增强或替代因衰老、损伤或疾病而受损的运动、感觉或认知模式方面起着关键作用（参考文献1~4）。人体皮肤是一个复杂的界面，冷热感受器测量无害温度，四种机械感受器（迈斯纳小体、默克尔细胞、鲁菲尼末梢和帕西尼小体）测量无害的机械刺激。这些感受器使我们能够感知力和温度，并毫不费力地区分不同的物体。然而，由于缺乏生理受体，假肢很难实现这些功能，这限制了截肢者的多功能性和灵巧性，无法获得失去肢体的全部功能，导致假肢排斥产生负面的心理生理影响。（参考文献3、8）在这种情况下，使用模仿甚至超越人类感知能力的电子设备来重建受体的功能对于智能假肢来说是必不可少的。Luke等人发明了一种多层柔性传感器，模仿机械感受器和伤害感受器的行为，为截肢者提供压力分布和物体曲率等力信息。（参考文献32）Gu等人提出了一种水凝胶-弹性体电容式传感器，可以根据弹性体层厚度的变化来检测触摸压力，从而为残肢皮肤的进一步电刺激提供压力信息。（参考文献33）本文报告了一种用于截肢患者智能假肢的多功能触觉传感器的设计、制造和性能。该柔性传感器采用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT: PSS) -三聚氰胺海绵配合物组装而成，可将环境信息转换为电信号。
02 传感器的设计和特性传感材料和结构设计对柔性触觉的多功能性和性能至关重要传感器。传感单元的核心由可变形的微结构框架（三聚氰胺海绵）组成，通过浸渍涂层在多孔骨架上均匀涂覆有机热电材料（PEDOT: PSS）。其中，三聚氰胺海绵是一种由甲醛-三聚氰胺-亚硫酸氢钠共聚物组成的泡沫状块体材料，具有密度低、三维孔隙率高、微结构框架力学性能优异等特点，适合装配柔性可压缩器件。PEDOT:PSS是一种著名的导电聚电解质，具有高导电性和水加工性，在空气中具有优异的成膜特性、高柔韧性和良好的物理化学稳定性。将海绵浸入PEDOT:PSS（1.4%的水）中，在80℃下干燥20分钟。将PEDOT: PSS均匀涂覆在三聚氰胺海绵骨架上，通过浸涂前后能谱对比验证。然后将三聚氰胺海绵- pedot:PSS复合物置于两个柔性铜电极之间，以组装柔性触觉传感器。还研究了PEDOT: pss -三聚氰胺海绵厚度对该器件传感性能的影响，考虑到最小信噪比，选择2mm的厚度进行以下测试。图1：基于PEDOT: pss -三聚氰胺海绵复合材料的智能假肢多功能柔性触觉传感器原理图。
03 传感器的力和温度传感特性这种柔性触觉传感器可以采用两种机制，即压阻和热电，这使它具有感知力、温度和低交叉耦合材料的多感官能力。具有开孔结构的商业大孔三聚氰胺海绵提供了合适的骨架，易于压缩和恢复。通过导电PEDOT:PSS浸涂工艺，可变形的微结构框架被赋予压阻性，因为随着压缩变形，接触面积增加，导致传感器的电阻发生变化。阻力与力之间呈指数衰减关系。这个传感器可以用相应的应对力灵敏度为55.98 kΩN 1 (R2 = .92点,0 - 0.44 N)。此外,电阻的温度干扰可以被认为是微不足道的,当温差< 25 k(底部温度293 k)。除了压阻性外，触觉传感器还可以感知温度，因为PEDOT:PSS也是一种有机热电材料，拥有无数的空穴和质子，可以实现热电之间的直接转换。图2：柔性触觉传感器的特性及其对双传感信号的解耦性能。
04 物料分类机理及性能除了上述力和温度传感能力外，这种柔性触觉传感器还具有类似皮肤的功能，可以对材料进行分类。不同的物质它们传导热量的能力差异很大，因此不同类型的材料对人类手指的“感觉”是不同的。例如，由于金属是良好的热导体，在相同的温度下，手指触摸它们比其他材料感觉更冷或更热。换句话说，金属可以很容易地将热量传递给较冷的物体，或者从较热的物体吸收热量。受这种人类手指感应现象的启发，证明了由不稳定热传导引起的开路电压变化过程与材料的导热能力密切相关，可以用来识别不同的物质。为了模拟手指的恒定温度，将陶瓷加热板（11cm2,0.7 W）组装到器件底部。该板在4.2 V电压下可保持50℃的温度。利用红外热成像仪，记录了铜和木材接触时的温度变化。
图3：非稳态热传导过程的理论分析与表征
图4：10种材料的分类。
05 智能义肢用多功能触觉传感器演示基于上述感知机制和性能，集成了一种具有力感、温度感和材料分类综合能力的智能假肢多功能触觉感知系统。系统由柔性传感器、信号采集模块，判断模块，以及手机。柔性传感器的电信号随环境变化而变化，由数据采集单元实时采集。随后，通过以下带有嵌入式算法模型的判断模块，将与触觉信息相关的结果通过手机进行广播。在这项研究中，证明了我们提出的多功能触觉传感器提供了一种新的策略，帮助截肢者在没有视觉帮助的情况下感知力和温度，并识别物体的材料。图5：智能义肢用机器学习辅助多功能触觉传感器的演示。03. 分析展望
综上所述，本文人展示了一种用于智能假肢的机器学习辅助多功能触觉传感器，为截肢提供了一种类似人类的触觉传感方法。在该系统的帮助下，手机可以提醒假肢佩戴者物体的触摸、温度和材料信息。在未来，可以通过整合更多种类的信息（热触觉印象、粗糙度、柔软度等）来提高分类精度。此外，在边缘设备上实施高效的机器学习（ML）算法进行现场决策，对于提高系统的独立性和降低系统功耗至关重要。进一步的研究还可以致力于理解感知的自然编码，并将上述信息传递给神经系统以恢复本体感觉。