中国科学家设计超薄指尖传感器,厚度不到A4纸五分之一,最高传递500Hz信号,可用于外科微创手术-1
视频中的人,蒙着眼睛,只需要用手指触摸,就可以辨别出纸上的字母。实现这个能力,用的是一个重量仅为 1.3 克的设备。而负责给指尖传导信号的硅胶薄膜,只有 18 微米厚。这个厚度,薄于一张普通 A4 纸厚度(104 微米)的五分之一,也远远小于人体表皮的厚度(数十到上千微米)。
这是中国科学家冀晓斌领衔开发出的新型设备,只用 1.3 克的重量,能够产生 1 到 500Hz 的震动信号,给手指传递不同的触感。实现 “盲人摸字” 的原理很简单,用发光二极管作为传感器,感知纸面反光的强度,将信号传递给一个微型控制器。当触碰到黑色的区域,设备就会自动开启,将异样的触觉传递给指尖。人通过触觉反馈,就能识别出图案。
这个设备的名字叫做 feel-through DEA(下称 FT-DEA),“盲人摸字”的试验,只是对其功能的一个验证。更重要的是,这种轻巧的触觉传感器,提供了一种新型的人机交互界面,具有高灵敏度和宽信号频域,如果跟不同的 VR 或 AR 设备结合,就可以开发出更逼真的虚拟现实或增强现实体验。
冀晓斌介绍,”feel-through”表明了这款新型穿戴装置的优势。由于其轻薄的特性,18 微米的薄膜既能够传递给手指额外的触觉信号,同时又保持了人手指日常的感觉和活动功能。“戴上这个装置,继续敲键盘,喝咖啡,或者是触摸其它物品,都不会受影响。”
冀晓斌于 2013 年和 2015 年先后在法国获得学士与硕士学位,2019 年在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)获得微系统与微电子博士学位,回国后,成为河北工业大学校聘教授,属于该校李铁军教授团队成员,研究方向是小型智能软体机器人系统与可穿戴设备。
他告诉 DeepTech,自己原本在 EPFL 做博士后,12 月回国,正好赶上疫情,就辞去了在瑞士的工作,决定在国内高校任职。在几个选项中,他被河北工业大学所提供的资源和平台所打动,最终选择了这里,目前他正在筹备自己的实验室。
图 | a. 指尖上的 Feel-through DEA 触觉设备;b. 佩戴 FT-DEA 弹钢琴(来源:论文)
超薄触觉反馈装置,实现新的人机界面
一提到 VR 和 AR 设备,标志性的设备就是头戴眼镜,它能够呈现出栩栩如生的画面和声音。但这只是虚拟体验的一部分,更困难的是提供虚拟触觉。
目前,实现与虚拟对象的互动,需要使用手持的电机设备,它们不仅笨重,也只能传导非常粗糙的触感,使用的时候,需要以特定的姿势持握,对人的动作限制也很大。也就是说,现有的手持设备,会阻止人手原有的力学感受功能,穿戴上以后,手指日常的功能就会受到影响。
图 | Valve Index VR 设备
要实现科幻电影里身临其境的 VR 和 AR,必须要有更轻便的触觉传感装置。冀晓斌和同事们的工作,就是在这一思路下诞生的。
能够做出如此轻便的设备,关键的技术在于以极低的电压输出高功率密度,从而将人类能够识别的信号送达到指尖。虽然硅胶薄膜只有 18 微米厚,但是在输出信号为 580Hz 时,功率密度能够大于 10⁶W/m³。
低驱动电压,使得 FT-DEA 的控制与供能设备可以做得足够小,来实现无线工作,这满足了穿戴设备的需求。
低电压的技术,是冀晓斌在博士课题中实现的突破。他在 EPFL 做博士期间,师从软体传感器实验室(EPFL—LMTS)主任 Herbert Shea 教授,完成了 “低电压高速率介电型弹性体驱动器” 的课题。高驱动电压是 20 多年来困扰 DEA 领域的一个基本问题。
所谓 DEA,是介电型弹性体驱动器的简称。冀晓斌介绍,这是一种电驱动的人工肌肉,可以将电能转化为机械能。
冀晓斌的博士课题成功地将 DEA 驱动电压降低了一个数量级,并且研发出了前所未有的高性能、低电压 DEA。
冀晓斌也针对开发的低电压、高性能 DEA 设计了新型应用,之前设计的软体机器昆虫,发表于机器人顶尖期刊 Science Robotics;此次的 FT-DEA 则是可穿戴的触觉反馈装置,于 2020 年 10 月发表于材料学期刊 Advanced Functional Materials 上。两篇论文,冀晓斌都是一作。
图 | 冀晓斌(来源:受访者)
DEA 所使用的硅胶薄膜本身不导电,它双面涂上电极后相当于一个电容器,当充满电之后,两电极间产生的静电力在厚度方向压缩硅胶薄膜,从而让薄膜面积增大产生形变。这一过程把电能转化成了机械能。使用不同频率的控制电信号,可以控制驱动器的运行速率。
冀晓斌形容,“通俗地讲,DEA 就是一个软体平行板电容器。”使用聚二甲硅氧烷(PDMS)这一材料当作介电层的性能优势是相关 DEA 的反应速率快,能够达到毫秒级别。由于 PDMS 这种材料的粘弹性很小,相比于其它的介电材料(比如 VHB)其力学性质对DEA 运行速度的影响要小的多。
在指尖实现不同类型的信号传导
手指尖端有丰富的感受神经,而以弹性硅胶为材料的 DEA 能够适应手指的形状并且贴合皮肤。FT-DEA 在通电工作时完全静音,因此非常适合作为穿戴于指尖的触觉反馈器。
FT-EDA 戴在手指上,在不通电的时候,硅胶薄膜处于预拉伸的状态,会给指尖皮肤一个轻微的压力。当通电之后,静电力产生作用,DEA 激活,就会释放预先施加的压力,从而使皮肤产生正方向(纵向)的位移。当使用从 1 到 500Hz 不同的驱动频率,薄膜会产生对应不同的位移和拉伸,从而产生不同的触觉反馈信号。
图 | d. DEA 通过拉伸皮肤来给穿戴者产生触觉反馈信号 e. 电压开关状态下皮肤以及 FT-DEA 侧视图。(来源:论文)
那人类是否能够准确识别出不同的信号类型呢?
研究寻找了 11 个不同性别、年龄的使用者,通过两个测试来收集他们的反馈。第一个测试,研究人员用不同频率的信号进行测试,让使用者评判是否能够感知到信号,并按照感觉强度从 0(没感觉)到 4(感觉很强)给出打分。最终的结果显示,除了关机时的感觉为零,_几乎_其它的频率都可以被感知到,而在 5 到 200 Hz 的区间,感知程度都保持在 2 以上。
在第二个测试中,使用者被随机给予 6 种不同的信号类型:10Hz、200Hz、在 10Hz 与 200Hz 间切换、由关闭升为 200Hz、由 200Hz 降为关闭、关闭。通过 10 分钟的简单学习后,使用者被随机给予不同的信号刺激,并进行辨别,结果显示了 73% 到 97% 的辨别正确率。
这两个试验证明,仅仅通过目前指尖单点的装置,已经能够成功传导多种触觉信号。
图 | a. 使用者对于不同频率信号的反馈强度平均值统计 b. 使用者对 6 种不同信号的识别混淆矩阵,对角线显示为正确率(来源:论文)
冀晓斌表示,这仅仅是一个初步验证,证明 FT-DEA 准确表达触觉信号的可行性,研究中已经展示了 10 个 DEA 在手指上形成的一个阵列结构,未来将突破单点的信号模式,使用 DEA 阵列来模拟局部的手部感觉,或者反馈更为完整的运动路径。
图 | 10 个 DEA 组成的阵列,覆盖在手指上。(来源:论文)
专访一作冀晓斌
DeepTech:请问 FT-DEA 的结构是怎样的?
冀晓斌:这是一个多层的结构,两层电极中间夹一个介电弹性体硅胶层,是一个基本的单元。一共有 3 个单元堆叠起来,总计共有 7 层,其中有 4 层电极,3 层硅胶层。这样设计的目的是增大它的输出力,单硅胶层厚度是 6 微米。在这项工作中,我们堆叠了三层,手指尖端的感受很灵敏,如果将来应用于身体其它部位,比如背部,有对输出力的强度有更高的要求,可以通过堆叠更多的厚度来增加输出力,从而使其它部位也能够感受到反馈信号。
DeepTech:FT-DEA 的特色是能够在低电压的驱动下,以非常薄的材料实现其性能,这建立在你博士课题的技术突破上,实现低电压驱动的难点在哪里?
冀晓斌:降低 DEA 驱动电压大致有两种方法,第一,增加介电层的介电常数。第二,降低介电层的薄膜厚度。我们选取的是第二种途径。
当薄膜厚度降低后,对薄膜的质量要求很高。如果薄膜质量不高,比如厚度不均匀,相关 DEA 性能会受限制。
更加具有挑战性的是,降低介电层厚度后,对 DEA 的电极要求苛刻。既需要有很好的导电性能来保证 DEA 快速充放电,又必须具备很好的力学性能来降低对整个薄膜结构的僵化。我们开发了基于 Langmuir 原理的先进纳米制造工艺来二维组装 DEA 的可拉升电极。研发出了分子厚度的可拉伸电极来满足这些苛刻要求。
DeepTech:在蒙眼识字的试验中,增加了一个发光二极管,它的作用是什么?
冀晓斌:这个实验中我们做了一个集成的无线控制系统,整体装置只有 1.3 克,这也是可穿戴设备的要求,不能很重,不会影响正常生活。发光二极管的作用是识别颜色,它能够探测颜色,将收集到的信号传导给微控制器,从而决定 FT-DEA 是否开启。当探测到黑色的时候,微控制器就会反馈出 450 伏 200 赫兹的频控制信号,而在白色的时候是关闭的。使用者通过手指的感受就可以读取黑色的字母。
DeepTech:目前只进行了一个识字试验,FT-DEA 还有哪些应用的潜力?
冀晓斌:VR 里,可以应用它去触碰一些虚拟的物体。研究中展示了一个戴在手指上的矩阵,假设它可以覆盖整只手,就可以实现感知一些虚拟的图像,或者当手做出一个类似抓握这样的动作时,也可以给予相对应的反馈信号。
当然我们目前只是模拟了表皮上的触觉,如果未来的 VR 要实现让人感受到一个不存在的事物,比如拿住一支笔,需要完整的信息,包括关节的姿态,还有皮肤的触觉,一个理想的手套是能够完成所有的任务的。这也是将来要突破的工作。
另外在一些需要精细操作的地方,比如一些外科手术、精细组装等,人体本身的精度是有限的,在精细操作的时候容易产生误差,而电子设备能够实现更高的精准度。
比如一些外科微创手术,能够通过它来告知操作者精度的范围,帮助人手实现更好的操作。这能够实现人和机器之间更密切的交互,机器通过触觉反馈给人类信号,比如将一层这样活性的薄膜戴在手上时,就增强了人机交互的维度,同时具有便利性。
道翰天琼CiGril机器人API
道翰天琼CiGril认知智能机器人API用户需要按步骤获取基本信息:
- 在平台注册账号
- 登录平台,进入后台管理页面,创建应用,然后查看应用,查看应用相关信息。
- 在应用信息页面,找到appid,appkey秘钥等信息,然后写接口代码接入机器人应用。
开始接入
请求地址:http://www.weilaitec.com/cigirlrobot.cgr
请求方式:post
请求参数:
参数 | 类型 | 默认值 | 描述 |
userid | String | 无 | 平台注册账号 |
appid | String | 无 | 平台创建的应用id |
key | String | 无 | 平台应用生成的秘钥 |
msg | String | "" | 用户端消息内容 |
接口连接示例:http://www.weilaitec.com/cigirlrobot.cgr?key=UTNJK34THXK010T566ZI39VES50BLRBE8R66H5R3FOAO84J3BV&msg=你好&ip=119.25.36.48&userid=jackli&appid=52454214552
注意事项:参数名称都要小写,五个参数不能遗漏,参数名称都要写对,且各个参数的值不能为空字符串。否则无法请求成功。userid,appid,key三个参数要到平台注册登录创建应用之后,然后查看应用详情就可以看到。userid就是平台注册账号。
示例代码JAVA:
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;
public class apitest {
/**
* Get请求,获得返回数据
* @param urlStr
* @return
*/
private static String opUrl(String urlStr)
{
URL url = null;
HttpURLConnection conn = null;
InputStream is = null;
ByteArrayOutputStream baos = null;
try
{
url = new URL(urlStr);
conn = (HttpURLConnection) url.openConnection();
conn.setReadTimeout(5 * 10000);
conn.setConnectTimeout(5 * 10000);
conn.setRequestMethod("POST");
if (conn.getResponseCode() == 200)
{
is = conn.getInputStream();
baos = new ByteArrayOutputStream();
int len = -1;
byte[] buf = new byte[128];
while ((len = is.read(buf)) != -1)
{
baos.write(buf, 0, len);
}
baos.flush();
String result = baos.toString();
return result;
} else
{
throw new Exception("服务器连接错误!");
}
} catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
} finally
{
try
{
if (is != null)
is.close();
} catch (IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
try
{
if (baos != null)
baos.close();
} catch (IOException e)
{
e.printStackTrace();
}
conn.disconnect();
}
return "";
}
public static void main(String args []){
//msg参数就是传输过去的对话内容。
System.out.println(opUrl("http://www.weilaitec.com/cigirlrobot.cgr?key=UTNJK34THXK010T566ZI39VES50BLRBE8R66H5R3FOAO84J3BV&msg=你好&ip=119.25.36.48&userid=jackli&appid=52454214552"));
}
}
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2024/4/29 3:42:58 - C++中只能有一个实例的单例类
C中只能有一个实例的单例类 前面讨论的 President 类很不错,但存在一个缺陷:无法禁止通过实例化多个对象来创建多名总统: President One, Two, Three; 由于复制构造函数是私有的,其中每个对象都是不可复制的,但您的目…...
2024/4/29 19:56:39 - python django 小程序图书借阅源码
开发工具: PyCharm,mysql5.7,微信开发者工具 技术说明: python django html 小程序 功能介绍: 用户端: 登录注册(含授权登录) 首页显示搜索图书,轮播图࿰…...
2024/4/29 8:41:59 - 电子学会C/C++编程等级考试2022年03月(一级)真题解析
C/C++等级考试(1~8级)全部真题・点这里 第1题:双精度浮点数的输入输出 输入一个双精度浮点数,保留8位小数,输出这个浮点数。 时间限制:1000 内存限制:65536输入 只有一行,一个双精度浮点数。输出 一行,保留8位小数的浮点数。样例输入 3.1415926535798932样例输出 3.1…...
2024/4/30 20:52:33 - 配置失败还原请勿关闭计算机,电脑开机屏幕上面显示,配置失败还原更改 请勿关闭计算机 开不了机 这个问题怎么办...
解析如下:1、长按电脑电源键直至关机,然后再按一次电源健重启电脑,按F8健进入安全模式2、安全模式下进入Windows系统桌面后,按住“winR”打开运行窗口,输入“services.msc”打开服务设置3、在服务界面,选中…...
2022/11/19 21:17:18 - 错误使用 reshape要执行 RESHAPE,请勿更改元素数目。
%读入6幅图像(每一幅图像的大小是564*564) f1 imread(WashingtonDC_Band1_564.tif); subplot(3,2,1),imshow(f1); f2 imread(WashingtonDC_Band2_564.tif); subplot(3,2,2),imshow(f2); f3 imread(WashingtonDC_Band3_564.tif); subplot(3,2,3),imsho…...
2022/11/19 21:17:16 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机...
win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”问题的解决方法在win7系统关机时如果有升级系统的或者其他需要会直接进入一个 等待界面,在等待界面中我们需要等待操作结束才能关机,虽然这比较麻烦,但是对系统进行配置和升级…...
2022/11/19 21:17:15 - 台式电脑显示配置100%请勿关闭计算机,“准备配置windows 请勿关闭计算机”的解决方法...
有不少用户在重装Win7系统或更新系统后会遇到“准备配置windows,请勿关闭计算机”的提示,要过很久才能进入系统,有的用户甚至几个小时也无法进入,下面就教大家这个问题的解决方法。第一种方法:我们首先在左下角的“开始…...
2022/11/19 21:17:14 - win7 正在配置 请勿关闭计算机,怎么办Win7开机显示正在配置Windows Update请勿关机...
置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题,电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update,请勿关机”(如下图所示),而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢?一切都是正常操作的,为什么开时机呈现“正…...
2022/11/19 21:17:13 - 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...
Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示,没过几秒后电脑自动重启,每次开机都这样无法进入系统,此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一:开机按下F8,在出现的Windows高级启动选…...
2022/11/19 21:17:12 - 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...
有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况,就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机,碰到这样的问题该怎么解决呢,现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法:1、2、依次…...
2022/11/19 21:17:11 - 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...
今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后,每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面,提示请勿关闭计算机”,每次停留好几分钟才能正常关机,导致什么情况引起的呢?出现配置Windows Update…...
2022/11/19 21:17:10 - 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...
只能是等着,别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚,只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一:管理员运行cmd:net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...
2022/11/19 21:17:09 - 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?
原标题:电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢?一般的方…...
2022/11/19 21:17:08 - 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...
关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!关机提示 windows7 正在配…...
2022/11/19 21:17:05 - 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...
钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...
2022/11/19 21:17:05 - 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...
前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了,具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面,长时间没反应,无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过,网上搜了不少资料&#x…...
2022/11/19 21:17:04 - 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...
本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法,并在最后教给你1种保护系统安全的好方法,一起来看看!电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中,添加了1个新功能在“磁…...
2022/11/19 21:17:03 - 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...
许多用户在长期不使用电脑的时候,开启电脑发现电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢?下面小编就带着大家一起看看吧!如果能够正常进入系统,建议您暂时移…...
2022/11/19 21:17:02 - 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...
配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容,让我们赶快一起来看一下吧!配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...
2022/11/19 21:17:01 - 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...
不知道大家有没有遇到过这样的一个问题,就是我们的win7系统在关机的时候,总是喜欢显示“准备配置windows,请勿关机”这样的一个页面,没有什么大碍,但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机,非常…...
2022/11/19 21:17:00 - 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...
当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时,一般是您正对windows进行升级,但是这个要是长时间没有反应,我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了,来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...
2022/11/19 21:16:59 - 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...
我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况,当我们打开电脑之后,发现一直停留在一个界面:“配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机”,等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢࿰…...
2022/11/19 21:16:58 - 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”
Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...
2022/11/19 21:16:57