电子皮肤首次预测并感知来自不同方向的触摸

来自开姆尼茨和德累斯顿的研究团队在开发带有集成人造毛发的敏感电子皮肤(e-skin)方面迈出了重要一步。E-skins是一种灵活的电子系统，它试图模仿自然人类皮肤对应物的敏感性。应用范围从皮肤替换和身体上的医疗传感器到人形机器人和机器人的人造皮肤。微小的表面毛发可以感知和预测人体皮肤上最轻微的触觉，甚至可以识别触摸的方向。现代电子皮肤系统缺乏这种能力，无法收集有关其附近的关键信息。

由开姆尼茨理工大学纳米电子材料系统教授、材料、结构和纳米膜集成研究中心(MAIN)科学主任OliverG.Schmidt教授领导的研究团队已经探索了一种新途径来开发极其敏感和方向相关的3D磁场传感器，该传感器可以集成到电子皮肤系统(有源矩阵)中。该团队使用了一种全新的方法来实现3D设备阵列的小型化和集成，并朝着模仿人类皮肤的自然触感迈出了重要一步。研究人员在最新一期的《自然通讯》杂志上报告了他们的研究结果。

克里斯蒂安·贝克尔博士施密特教授在MAIN的研究小组的学生和该研究的第一作者说，他们的“方法允许在3D中精确的空间布置功能传感器元件，可以在并行制造过程中大规模生产。这样的传感器系统非常难以通过已建立的微电子制造方法生成。”

新方法：优雅的折纸技术将3D传感器与微电子电路集成

研究团队提出的传感器系统的核心是所谓的各向异性磁阻(AMR)传感器。AMR传感器可用于精确确定磁场的变化。AMR传感器目前被用作汽车中的速度传感器，或用于确定各种机器中运动部件的位置和角度。

为了开发高度紧凑的传感器系统，研究人员利用了所谓的“微型折纸工艺”。此过程用于将AMR传感器组件折叠成三维架构，可以解析三个维度的磁场矢量场。微型折纸允许大量微电子元件安装在狭小的空间中，并将它们排列成任何传统微加工技术都无法实现的几何形状。“微型折​​纸工艺是20多年前开发的，很高兴看到这种优雅技术的全部潜力现在可以如何用于新型微电子应用，”OliverG.Schmidt教授说。

研究团队将3D微型折纸磁传感器阵列集成到单个有源矩阵中，其中每个单独的传感器都可以通过微电子电路方便地寻址和读取。“有源矩阵磁传感器与自组装微型折纸架构的结合是一种全新的方法，可将高分辨率3D传感系统小型化和集成，”DaniilKarnaushenko博士说，他对概念、设计和实施做出了决定性贡献的项目。

微小的毛发实时预测和感知触摸方向

该研究团队已成功地将带有磁性根部的细毛的3D磁场传感器集成到人造电子皮肤中。电子皮肤由弹性材料制成，其中嵌入了电子设备和传感器——类似于与神经交织的有机皮肤。

当头发被触摸和弯曲，磁根的运动和确切位置可以通过底层的3D磁传感器检测到。因此，传感器矩阵不仅能够记录头发的裸露运动，还可以确定运动的确切方向。与真实的人类皮肤一样，电子皮肤上的每一根头发都成为一个完整的传感器单元，可以感知和检测附近的变化。3D磁传感器与磁发根之间的实时磁机耦合，通过电子皮肤系统提供了一种新型的触敏感知。当人类和机器人紧密合作时，这种能力非常重要。例如，机器人可以在有意接触或意外碰撞即将发生之前，提前感知与人类同伴的交互，并提供许多细节。

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