מאמר סקירה

אינטגרציה ברמת המערכת ורכישת אותות רב-מודליים ב-Electronic Skin: סקירה והדגמה

DOI:

10.3791/70286

⸱

9 בינואר 2026

 ,  , 
1School of Computer and Information Engineering, Shanghai Polytechnic University, 2School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering, Shanghai Polytechnic University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

סקירה זו מדגישה התקדמות עדכנית בטכנולוגיות עור אלקטרוניות, תוך הדגש על חישה מישושית רב-מודלית, ארכיטקטורות גמישות ורכישת נתונים בעוצמה נמוכה. פלטפורמת תדרים היברידית בת 36 ערוצים מדגימה זיהוי מישושי בזמן אמת ואינטראקציה רובוטית. הכיוונים העתידיים מתמקדים בשיפור אחידות בשטחים גדולים, כיול חכם ותפיסה אדפטיבית ליישומים מעשיים של עור רובוטיים.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

טכנולוגיות עור אלקטרוני (E-skin) מדמות את היכולות המישושיות והחושיות של העור האנושי, ומאפשרות תחושת לחץ, מתח, טמפרטורה וגירויים חיצוניים נוספים עבור רובוטים חכמים ומערכות לבישות. סקירה זו מסכמת את ההתקדמות האחרונה בחומרים, עיצובים מבניים, מנגנוני חישה ואינטגרציה ברמת המערכת, אשר קידמה את הביצועים והפונקציונליות של פלטפורמות E-skin. מוקדש דגש מיוחד על חישה מישושית רב-מודלית ואסטרטגיות רכישת אותות מוטמעות, המאפשרות זיהוי בזמן אמת של דפוסים ומחוות מישוש. התקדמות בארכיטקטורות גמישות, דגימת תדרים היברידית ומעגלי איסוף נתונים בעלי צריכת חשמל נמוכה שיפרו את האמינות, היכולת להרחבה ולרזולוציה הזמנית של מערכות E-skin מודרניות. כהדגמה, פותחה על ידי המחברים פלטפורמת חישה טקטילית היברידית בתדר 36 ערוצים כדי להמחיש את היישום המעשי של מיזוג אותות רב-מודלי ואינטראקציה רובוטית. לבסוף, האתגרים הנוכחיים וכיוונים עתידיים – כולל אחידות בשטחים גדולים, כיול חכם ותפיסה אדפטיבית – נדונים כדי להנחות את המעבר מאב-טיפוס מעבדה ליישומי עור רובוטיים ניתנים לפריסה.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

E-skin מייצג דור חדש של מערכות אלקטרוניות רכות המסוגלות לחקות את תכונות החישה והפונקציונליות של עור האדם. על ידי זיהוי גירויים מכניים ותרמיים כמו לחץ, מאמץ, טמפרטורה והחלקה, E-skin מאפשר למכונות לתפוס את סביבתן באופן דמוי אדם. מאז העבודה המוקדמת של סומיה ועמיתיו שהציגה אלקטרוניקה גמישה בהשראת עור, המחקר בתחום זה התקדם במהירות במדעי החומרים, הנדסת מכשירים ואינטגרציית מערכות 1,2.

ההתפתחויות הראשונות ב-E-skin התמקדו בעיקר ביצירת חומרים נמתחים ומוליכים שיכולים לשמור על יציבות חשמלית תחת עיוות מכני. קומפוזיטים פולימריים מוליכים, ננו-חומרים פחמניים ואלקטרודות מבוססות מתכות נוזליות נחקרו רבות לשיפור הגמישות והרגישות 3,4,5. מאמצים אלו הניחו את היסודות לחישה מישושית אמינה. עם זאת, ככל שהמחקר התרחב לכיוון רובוטיקה ואלקטרוניקה לבישה, צוואר הבקבוק עבר מחומרים לאינטגרציה ברמת המערכת, כאשר אתגרים כמו רכישת אותות בקנה מידה גדול, הגברה ברעש נמוך ועיבוד נתונים בזמן אמת הפכו לדאיגות מרכזיות 6,7.

ההתקדמות האחרונה מדגישה את החשיבות הגוברת של חישה מישושית רב-מודלית ורכישת אותות מוטמעים, שהפכו את E-skin מממשק חישה פסיבי לפלטפורמת תפיסה פעילה. ג'ון ואח' הציגואחת המערכות המישושיות הרב-מודליות הראשונות המשלבות לחץ, טמפרטורה וחישה של החלקה, בעוד לי ואח'הדגימו תפיסה מישושית בזמן אמת על ידי הטמעת מעגלי עיבוד אותות ישירות במערך החיישנים. באופן דומה, Wang ואחרים 10הציעו מערכת רובוטית מישושית ביולוגית המסוגלת לזהות כוחות אינטראקציה נוזלית ברזולוציה זמנית גבוהה. מחקרים אלו חושפים שינוי ברור לעבר ארכיטקטורות חישה משולבות המסוגלות לתפיסה וסיווג מורכבים.

מעבר לרובוטיקה, E-skin הראה גם פוטנציאל רחב בניטור בריאות וממשקים ביו-רפואיים. מדידה רציפה של אותות פיזיולוגיים – כגון דופק, טמפרטורה ואלקטרומיוגרפיה – מאפשרת טיפול אישי ושיקום ארוך טווח 11,12. וו ואחרים סיכמו את ההתקדמות האחרונה בחיישנים לבישים רב-מודליים, תוך הדגשת אתגרים בניתוק ויציבות האותות במהלך פעולה ממושכת. עם זאת, כפי שציינו אלשיבאני ואח' 13, התחום עדיין חסר פרוטוקולי הערכה סטנדרטיים, מה שמקשה על השוואת דיוק החישה בין מערכות. לכן, הקמת מסגרות בדיקה מאוחדות חיונית לאימוץ קליני ורובוטי עתידי13.

בהתחשב בהתפתחויות אלו, סקירה זו מתמקדת בארכיטקטורה ברמת המערכת ובאסטרטגיות רכישת אותות עבור עור אלקטרוני. הוא מדגיש כיצד חישה רב-מודלית, תכנון מעגלים ומיזוג נתונים קובעים יחד את ביצועי המערכת ואת יכולת ההרחבה הפונקציונלית14,15. כדי להדגים עקרונות אלו, מוצגת פלטפורמת חישה מגעית היברידית בתדר 36 ערוצים, שפותחה על ידי המחברים, כדוגמה למיזוג אותות מולטימודלי בזמן אמת ואינטראקציה רובוטית. ההדגמה הזו משמשת גשר בין עיצוב קונספטואלי לבין יישומים מעשיים של רובוט לעור.

בסך הכול, סקירה זו מספקת פרספקטיבה מקיפה ברמת המערכת על פיתוח ה-E-skin, ומגשרת על הפער מעקרונות החישה הרב-מודלית וארכיטקטורת החומרה ועד לתפיסה חכמה. על ידי הדגשת אסטרטגיות רכישת אותות, מיזוג נתונים ויישום רובוטי מעשי, הוא מדגיש הן את ההתקדמות האחרונה שהושגה והן את האתגרים המרכזיים שנותרו במימוש מערכות E-skin אדפטיביות, ניתנות להרחבה ואמינות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

סקירה ופרספקטיבה

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

סקירה כללית של ארכיטקטורות עור אלקטרוניות

ניתן לראות ב-E-skin מערכת אלקטרונית רכה היררכית המשלבת שכבות חישה, רכישה, עיבוד ותקשורת למבנה מאוחד. כל שכבה ממלאת תפקיד ייחודי בהפיכת גירויים פיזיים חיצוניים למידע דיגיטלי משמעותי שניתן לפרש על ידי מכונות או בני אדם. איור 1 מספק סכמטיקה קונספטואלית של ארכיטקטורת ארבע השכבות הזו ושל זרימת האותות המתאימה.

בשכבת החישה, מערכי חיישנים גמישים ונמתחים מזהים גירויים מכניים או תרמיים כגון לחץ, מאמץ או טמפרטורה. אלמנטים אלו מיוצרים על מצעים אלסטומריים ולעיתים קרובות משתמשים בגאומטריות מיקרו-מבניות לשיפור רגישות וליניאריות תגובה. פולימרים וננוקומפוזיטים מוליכים מספקים תאימות גבוהה וביצועים חשמליים יציבים תחת עיוות גדול 3,5. במערכות E-skin רב-מודליות, ניתן לזהות גירויים פיזיים מרובים - כגון לחץ, מתח וטמפרטורה - על ידי שילוב יחידות חישה מגוונות או באמצעות ארכיטקטורות מיקרו-מבנה שמפרידות גירויים אלה בתוך חיישן יחיד4.

שכבת הרכישה משמשת כגשר חשמלי בין חיישנים לאלקטרוניקה. הפונקציות העיקריות שלו כוללות הגברה, סינון והמרה מאנלוגי לדיגיטלי. ב-E-skin מודרני, מעגלים מודפסים גמישים או מטריצות טרנזיסטור סרט דק משמשים באופן נרחב למימוש כתובת מטריצה אקטיבית וקריאה מרובעת. גישות אלו מפחיתות את מורכבות החיווט תוך שמירה על רזולוציה מרחבית גבוהה וצריכת חשמל נמוכה. עיצוב שכבה זו קובע את רמת הרעש של המערכת, קצב הדגימה ואיכות הנתונים הכוללת.

לאחר מכן, שכבת עיבוד הנתונים מנהלת את הפרשנות בזמן אמת של מידע מישושי. מיקרו-בקרים משובצים או מעבדים מבוססי FPGA (מערך שערים מתוכנתים בשטח) מבצעים סינון מקומי, חילוץ תכונות וסיווג ראשוני של אירועים מישושיים. ארכיטקטורת המחשוב המבוזר הזו ממזערת השהיה ומאפשרת שליטה במשוב אדפטיבי. אינטגרציה עם מודולים אלחוטיים או בינה מלאכותית קיצונית תומכת עוד יותר בתפעול רובוטי אוטונומי וביישומים לבישה.

לבסוף, שכבת הממשק או היישום מקשרת את פלטפורמת E-skin למערכות חיצוניות כגון מניפולטורים רובוטיים, גפיים תותבות או מוניטורים רפואיים. נתונים מוחשיים מעובדים מומרת לפקודות בקרה, פלטים חזותיים או מדדי אבחון. ברובוטיקה, שכבה זו מספקת משוב כוח אחיזה וזיהוי טקסטורה; לשימוש ביו-רפואי, היא תומכת במעקב פיזיולוגי רציף ובהעברת נתונים מרחוק.

יחד, ארבע השכבות הללו יוצרות מסלול מקצה לקצה שממיר גירויים מכניים או תרמיים למידע שניתן לפעול עליו. העיצוב ההיררכי והמודולרי מאפשר לאופטימיזציה של כל בלוק פונקציונלי באופן עצמאי תוך שמירה על גמישות מכנית כללית. סקירה זו מגדירה את המסגרת המבנית לחלקים הבאים, שבהם ינותחו בפירוט מנגנוני החישה, שיטות רכישת האותות ואסטרטגיות התפיסה החכמות של מערכות E-skin.

מנגנוני חישה ועקרונות טרנסדוקציה

E-skin ממיר גירויים מכניים ותרמיים לאותות חשמליים באמצעות מספר מנגנוני טרנסדוקציה. הנפוצים ביותר הם מנגנונים פיזורזיסטיביים, קיבוליים, פיזואלקטריים ואופטיים עם כוח עצמי (איור 2). כל גישה מציעה יתרונות ייחודיים ברגישות, טווח דינמי וצריכת אנרגיה.

חישה פיאזורזיסטיבית וקיבולית: חיישנים פיזורזיסטיביים (איור 2A) משנים את ההתנגדות שלהם כאשר העיוות משנה את רשת המוליך של שכבת החישה. הן פשוטות לייצור, תואמות מאוד למצעות גמישות, ומציעות טווח מדידות רחב. חומרים טיפוסיים כוללים קומפוזיטים מבוססי פחמן ופולימרים מוליכים. לעומת זאת, חיישנים קיבוליים מסתמכים על שינויים בקיבול C=εA/d הנגרמים מעיוות מכני של שכבה דיאלקטרית. הם בעלי יציבות גבוהה ורעש נמוך, ומתאימים היטב להדמיה מישושית. ג'ון ואח' הדגימו עור E רב-מודלי המשלב אלמנטים פיזורזיסטיביים וקיבוליים כדי לחוש לחץ וטמפרטורה בו-זמנית עם הפרעה מינימלית.

מנגנונים מונעים בעצמם: טרייבואלקטרי (איור 2B) וטרנסדיונים פיזואלקטרי (איור 2C) מייצרים אותות חשמליים ישירות מתנועה מכנית. סרטים פיזואלקטריים יוצרים הפרדת מטען תחת מאמץ, בעוד שכבות טריבואלקטריות מייצרות הבדלים פוטנציאליים באמצעות חשמול מגע. מנגנונים עצמאיים אלו יעילים לגירויים דינמיים כמו רטט והחלקה. Wang ואחרים פיתחו מערכת רובוטית מישושית המבוססת על ממשק טריבואלקטרי המסוגל לתפוס אינטראקציות נוזליות ברזולוציה זמנית גבוהה. למרות שפחות מתאימים ללחצים סטטיים בגלל דליפת מטען, שילובן עם שכבות פיזורזיסטיביות או קיבוליות מאפשר חישה מולטימודלית משלימה.

מנגנונים אופטיים ומנגנונים מתפתחים נוספים: חישה אופטית (איור 2D) ממירה עיוות מכני לשינויים בעוצמת האור או בהפרעות בתוך מוליכי גל או מיקרו-חללים. הוא מציע רגישות גבוהה מאוד וחסין לרעש אלקטרומגנטי, אך דורש יישור מדויק16. גישות נוספות – כולל מגנטי17, תרמואלקטרי18 ושיטות מבוססות התנגדות19 – נבחנות גם הן להרחבת תפקוד ה-E-skin.

לקראת אינטגרציה רב-מודלית: מערכות E-skin מודרניות משלבות יותר ויותר מנגנונים מרובים לזיהוי והבחנה בין גירויים שונים. לי ואח' השיגו זיהוי לחץ, טמפרטורה והחלקה בזמן אמת באמצעות מערכי חיישנים משולבים ומעגלי עיבוד משובצים. ארכיטקטורות היברידיות כאלה מקדמות את E-skin מחישה פסיבית לתפיסה אקטיבית, ומניחות את היסודות לאינטגרציה ברמת המערכת שתידון בסעיף הבא.

אינטגרציה של מערכות ורכישת אותות

הביצועים של מערכת E-skin תלויים לא רק בתכונות רכיבי החישה שלה, אלא גם באופן שבו האותות מהחיישנים הללו נאספים, מעובדים ומועברים. אינטגרציה ברמת המערכת מקשרת בין שכבת החישה לאלקטרוניקה משובצת, ויוצרת פלטפורמת תפיסה מוחשית מאוחדת המסוגלת להגיב בזמן אמת. איור 3 ממחיש ארכיטקטורת מערכת מייצגת הכוללת מערכי חיישנים, אלקטרוניקת קריאה, רכישת נתונים ומודולים לתקשורת.

ארכיטקטורה ועיצוב חומרה: ארכיטקטורות E-skin מודרניות מאורגנות בדרך כלל במבנה מודולרי המורכב משלוש תת-מערכות חומרה: מערך החיישנים, מעגלי הקריאה והריבוב, והבקר או יחידת העיבוד המשובצת. תצורה היררכית זו מאזנת בין רזולוציה מרחבית ליכולת הרחבה של המערכת. ברוב המימושים, מערכי חיישנים בשטח גדול מסודרים בפורמט מטריצה, כאשר כל צומת מתאים לאלמנט חישה בודד. כדי להפחית את מורכבות החיווט והדיבור, נעשה שימוש באסטרטגיות ריבוב חלוקת זמן (TDM) או סריקת עמודות שורה. מעגל הקריאה כולל התאמת התנגדות, הגברה ברעש נמוך, סינון והמרה מאנלוגי לדיגיטלי (ADC). Takei ואחרים.14 הדגישו כי שילוב חומרי החישה עם שבבי קריאת CMOS בעלי הספק נמוך הוא קריטי למימוש פלטפורמות E-skin קומפקטיות ויעילות. מיקרו-בקרים משובצים (MCUs) או FPGAs מנהלים לאחר מכן בחירת ערוצים, אחסון נתונים ועיבוד מוקדם. כדי לשמור על גמישות, שבבי סיליקון קשיחים מותקנים לעיתים קרובות על אינטרפוזרים רכים או לוחות מעגלים מודפסים גמישים (FPCs). מודולי תקשורת אלחוטית - כגון Bluetooth Low Energy (BLE) או Wi-Fi - משולבים לעיתים קרובות ביישומים לבישה, בעוד שפלטפורמות רובוטיות מאמצות לעיתים תקשורת סריאלית קווית לשליטה בזמן אמת.

אסטרטגיות רכישת אות: רכישת אות במערכות E-skin חייבת להתמודד עם צפיפות ערוצים גבוהה, משרעת אות נמוכה וטווח דינמי רחב. האותות המישושיים מכל חיישן נמצאים בדרך כלל בטווח של מיליוולט עד מיקרווולט, מה שדורש מגברים דיפרנציאליים בעלי הגבר גבוה ומעגלי דיכוי רעש. גישות נפוצות כוללות דגימה כפולה מתואמת (CDS), מגברים מייצבים באמצעות צ'ופר20,21, ושיטות זיהוי סינכרוניות22 למזעור הסחפה ורעש 1/f. ויצ'קובה ואח' ניתחו מסגרות רכישת נתונים למערכות מישושיות לבישות והדגישו את הפשרה בין מהירות הדגימה ליעילות אנרגטית. ADCים מרובי ערוצים עם סריקה רציפה נמצאים בשימוש נרחב, אך הם יוצרים עיכוב דגימה במערך. דגימה מקבילית, אף שהיא מהירה יותר, מגדילה את דרישות ההספק והעברת הנתונים. לכן, פתרונות היברידיים המשלבים רכישה סדרתית ומקבילה זכו לעניין במערכות סקלביליות24.

מיזוג נתונים ותפיסה חכמה: לאחר הרכישה, יש לעבד אותות מישושיים ממערכות E-skin כדי להפיק תכונות משמעותיות ולתמוך בתפיסה חכמה. עיבוד אותות משמש כגשר בין פלט חיישנים גולמי להבנה פיזית, ומאפשר דיכוי רעש, חילוץ תכונות ומיזוג נתונים רב-מודלי (איור 4).

עיבוד מוקדם וחילוץ תכונות: אותות גולמיים לעיתים מעוותים על ידי סטייה, הזזות או הפרעות אלקטרומגנטיות. תיקון קו בסיס, סינון אדפטיבי או מעבר נמוך, והגברה דיפרנציאלית משמשים בדרך כלל לשיפור יחס האות לרעש. חילוץ תכונות מאוחר יותר ממיר נתוני תחום הזמן לתיאורים קומפקטיים – כגון משרעת, משך וקצב שינוי – בעוד מסננים מרחביים משחזרים מפות מישושיות בין מערכי חיישנים. ניתוח תחום התדר באמצעות טרנספורמציות פורייה או גל מגלה עוד מידע על רטט וטקסטורה.

מיזוג ופרשנות רב-מודלית: במערכות E-skin רב-מודליות, אותות מחיישני לחץ, מאמץ, טמפרטורה או רטט משולבים ליצירת ייצוגים מישושיים מאוחדים. מיזוג ברמת הנתונים ורמת התכונות משפר את החוסקות, בעוד שמיזוג ברמת ההחלטה משלב את תוצאות מספר מסווגים. מחקרים עדכניים הראו כי אלגוריתמים של למידת מכונה – כולל ניתוח רכיבים עיקריים ורשתות עצביות קונבולוציוניות – יכולים לשפר את זיהוי האירועים המישושיים25. יתרה מזאת, מסגרות מיזוג רב-מודליות המשלבות נתונים מישושיים ופרופריוספטיביים נחקרו לשיפור דיוק הסיווג26.

לקראת תפיסה אינטליגנטית: ברמות הפשטה גבוהות יותר, נתוני E-skin מפורשים כדי להסיק תכונות אובייקט, מצבי מגע וכוונת אינטראקציה. מודלים של זיהוי דפוסים ורגרסיה מסווגים אירועים מישושיים כגון אחיזה, החלקה או מרקם, בעוד שאשכול וניתוח מרחבי-זמני חושפים קשרים נסתרים בין אותות מבוזרים27. השילוב של חשיבה מבוססת בינה מלאכותית מאפשר תפיסה מודעת להקשר ומשוב בזמן אמת עבור רובוטיקה ושירותי בריאות לבישה.

לסיכום, עיבוד אותות ופרשנות נתונים ממירים מידע מוחשי גולמי לתובנה מעשית. התקדמות בסינון אדפטיבי, מיזוג מולטימודלי ומידולים מונחי נתונים דוחפת מערכות E-skin לדיוק תפיסתי ואוטונומיה גבוהים יותר.

יישומים והדגמות

מערכות מישושיות גמישות מצאו יישומים בתחומים מגוונים, החל ממניפולציה רובוטית ועד טיפול רפואי לביש ואינטראקציה בין אדם למכונה. טכנולוגיות אלו מראות כיצד חישה רב-מודלית, חומרים תואמים ואלקטרוניקה משובצת יכולים להתכנס ליצירת ממשקים חכמים המסוגלים לבצע משוב בזמן אמת ושליטה אדפטיבית (איור 5).

מניפולציה ואחיזה רובוטית: בתחום הרובוטיקה, מערכות מגע גמישות מספקות משוב חיוני למניפולציה בטוחה ומיומנת. על ידי שילוב חישה קיבולית, תרמית ורטטית, מערכות אלו מאפשרות אחיזה אדפטיבית ומודולציית כוח בזמן אמת בעת טיפול בעצמים עדינים. משוב מישושי כזה גם מקל על זיהוי קצות, הערכת תנוחה ובקרת עמידה, ומחזק משמעותית את שיתוף הפעולה בין אדם לרובוט.

ניטור לבישים ובריאות: ליישומים בריאותיים לבישה, מדבקות חיישנים גמישות מאפשרות ניטור פיזיולוגי רציף במהלך פעילות יומיומית. ההתקדמות האחרונה בביוחיישנים גמישים ולבישים הרחיבה מאוד את תחום המעקב הבריאותי המתמשך. סונג ואח'סיכמו התקדמות בפלטפורמות חישה רכות, קונפורמליות לעור, המסוגלות לזהות בזמן אמת אותות פיזיולוגיים מנוזלי גוף וסימנים חיוניים. חיישנים ביולוגיים כאלה משלבים גמישות גבוהה, צריכת חשמל נמוכה ותאימות ביולוגית, ומציעים תפעול אמין לטווח ארוך ליישומים ברפואה מותאמת אישית ובבריאות מונעת. מערכות דומות נבדקו לניתוח הליכה, ניטור הפעלת שרירים ומשוב שיקום30,31.

אינטראקציה בין אדם למכונה ומערכות סיוע: אלקטרוניקה מישושית רכה בהשראת עור משמשת יותר ויותר כדי לאפשר תקשורת אינטואיטיבית בין בני אדם למכונות. על ידי תרגום אותות מכניים או פיזיולוגיים לתגובות חשמליות ניתנות לפענוח, מערכות גמישות אלו מספקות ממשקים טבעיים לבקרה רובוטית וטכנולוגיות עזר. ליו ואחרים.32 פיתחו פלטפורמת עור אלקטרונית אלחוטית הפועלת כממשק דו-כיווני בין אדם למכונה, המאפשרת שליטה מבוססת מחוות על מכשירים רובוטיים ומשוב למשתמש באמצעות חיישנים ומפעילים משולבים. התקדמות משלימה בעור אלקטרוני לבישה למעקב בריאותי הרחיבה את תפקידו הסיוע למטופלים ולקשישים. סאן ואח' סיכמו כיצד רשתות חישה ביולוגית תואמות ופרשנות נתונים אדפטיבית תורמות לתמיכה בריאותית מתמשכת ולמשוב שיקום. יחד, מחקרים אלו מראים כיצד אלקטרוניקה מישושית משפרת תפיסה, תקשורת וסיוע במערכות אינטראקטיביות מהדור הבא.

הדגמה באמצעות פלטפורמת רכישה טקטילית משולבת בת 36 ערוצים: כדי להמחיש אינטגרציה מעשית של המערכת, פלטפורמת רכישה מישושית בת 36 ערוצים שפותחה על ידי המחברים מוצגת כהדגמה מייצגתשל 34. הפלטפורמה משלבת מערך חישה גמיש עם לוח רכישה מותאם אישית הכולל מגברים בעלי רעש נמוך, מולטיפלקסרים אנלוגיים ו-ADC בגודל 14 ביט. מיקרו-בקר מנהל סנכרון ותקשורת נתונים באמצעות USB או Bluetooth Low Energy, בעוד ש-CPLD מובנה שולט בתזמון ובבפר. במקום קצב קבוע יחיד, המערכת מבצעת שלושה זרמי דגימה סינכרוניים – 2 קילוהרץ לאותות אקוסטיים, 1 קילוהרץ לאותות האצה ואותות מישוש, ו-100 הרץ לטמפרטורה ואור – כך שכל מודאליות חישה נדגמת בקצב מתאים, מה שמשפר את יעילות רוחב הפס מבלי לפגוע בביצועים תפיסתיים. נתונים בזמן אמת מוצגים ומנותחים על מחשב מארח, ומדגימים תפיסה מישושית ניתנת להרחבה המתאימה לפלטפורמות רובוטיות ולבישות כאחד.

לסיכום, ארבעת תחומי היישום מדגימים כיצד אלקטרוניקה מישושית גמישה הופכת חישה לתפיסה. ממניפולציה רובוטית ועד מערכות בריאות לבישות ואינטראקטיביות, שילוב חיישנים רב-מודליים, רכישה אדפטיבית ועיבוד חכם מאפשר ממשקים מישושיים תגובתיים ויעילים, וסולל את הדרך לפלטפורמות e-skin אוטונומיות ואדפטיביות לאדם.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

מסקנות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למרות התקדמות מהירה בחומרים, באינטגרציה של מערכות ופרשנות נתונים, טכנולוגיות עור אלקטרוני (E-skin) עדיין מתמודדות עם מספר מחסומים לפני שניתן יהיה לבצע פריסה מעשית רחבת היקף. נדרשים שיפורים באמינות מכנית, בקנה מידה ובאוטונומיה חכמה כדי ליצור פלטפורמות אלקטרוניות חדות באמת. עור אלקטרוני תלוי בחומרים גמישים ונמתחים שיכולים לשמור על רגישות תחת עיוות מתמשך; עם זאת, עייפות מכנית ארוכת טווח, התדרדרות סביבתית וסטייה בסיסית נותרו בלתי פתורות. השגת אחידות וחזרתיות בייצור בשטחים גדולים מציבה גם מכש...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים מנוגדים.

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Yang, J. C., et al. Electronic skin: Recent progress and future prospects for skin-attachable devices for health monitoring, robotics, and prosthetics. Adv Mater. 31 (48), e1904765(2019).
  2. Liu, X. The more and less of electronic-skin sensors. Science. 370 (6519), 910-911 (2020).
  3. Kim, J. O., et al. Highly ordered 3d microstructure-based electronic skin capable of differentiating pressure, temperature, and proximity. ACS Appl Mater Interf. 11 (1), 1503-1511 (2019).
  4. Yuan, Z., Shen, G. Materials and device architecture towards a multimodal electronic skin. Mater Today. 64, 165-179 (2023).
  5. Zhao, D., et al. Flexible sensors based on conductive polymer composites. Sensors. 24, 4664(2024).
  6. Cao, H. L., Cai, S. Q. Recent advances in electronic skins: Material progress and applications. Front Bioeng Biotechnol. 10, 1083579(2022).
  7. Wu, S., et al. Recent advances in multimodal skin-like wearable sensors. Appl Phys Rev. 11 (4), 041301(2024).
  8. Jeon, S., Lim, S. C., Trung, T. Q., Jung, M., Lee, N. E. Flexible multimodal sensors for electronic skin: Principle, materials, device, array architecture, and data acquisition method. Proc IEEE. 107 (10), 2065-2083 (2019).
  9. Lee, B. Y., et al. Human-inspired tactile perception system for real-time and multimodal detection of tactile stimuli. Soft Robot. 11 (2), 270-281 (2024).
  10. Wang, Y., et al. Human-inspired robotic tactile perception for fluid. IEEE Sensors J. 24, 23336-23348 (2024).
  11. Oh, H. S., Lee, C. H., Kim, N. K., An, T., Kim, G. H. Review: Sensors for biosignal/health monitoring in electronic skin. Polymers (Basel). 13 (15), 2521(2021).
  12. Mousavi, A., Rahimnejad, M., Azimzadeh, M., Akbari, M., Savoji, H. Recent advances in smart wearable sensors as electronic skin. J Mater Chem B. 11 (43), 10332-10354 (2023).
  13. Alshaibani, F., Grau, V., Bergmann, J. Assessing the accuracy of human-inspired electronic skin: A systematic review. Biosensors Bioelect X. 22, 100553(2025).
  14. Takei, K., Gao, W., Wang, C., Javey, A. Physical and chemical sensing with electronic skin. Proc IEEE. 107 (10), 2155-2167 (2019).
  15. Versatility of low-resolution tactile sensing for edge and pose detection. Shepherd, D. R., Husbands, P., Philippides, A., Johnson, C. 2024 5th Int Conf Artif Intell Robotics Control (AIRC), , 7-12 (2024).
  16. Wang, S., et al. Skin-inspired tactile sensor based on gradient pore structure enable broad range response and ultrahigh pressure resolution. Chem Eng J. 443, 136446(2022).
  17. Mohammadi, A., Xu, Y., Tan, Y., Choong, P., Oetomo, D. Magnetic-based soft tactile sensors with deformable continuous force transfer medium for resolving contact locations in robotic grasping and manipulation. Sensors. 19 (22), 4925(2019).
  18. Kim, M. H., et al. Thermoelectric energy harvesting electronic skin (e-skin) patch with reconfigurable carbon nanotube clays. Nano Energy. 87, 106156(2021).
  19. Jiang, Z., et al. Electrical impedance tomography-based electronic skin for multi-touch tactile sensing using hydrogel material and fista algorithm. Sensors. 24 (18), 5985(2024).
  20. Kouhalvandi, L., Matekovits, L., Peter, I. Amplifiers in biomedical engineering: A review from application perspectives. Sensors. 23 (4), 2277(2023).
  21. Huang, Y. K., Rodriguez, S. Noise analysis and design methodology of chopper amplifiers with analog dc-servo loop for biopotential acquisition applications. IEEE Trans Very Large Scale Integrat (VLSI) Syst. , 1-13 (2023).
  22. Kiely, R. Understanding and eliminating 1/f noise. Analog Dialogue. , https://www.analog.com/analog-dialogue/articles/understanding-and-eliminating-1-f-noise.html (2019).
  23. Viteckova, S., et al. Waveform skewness: Parameter for timed up & go turn assessment. Biomed Signal Proc Control. 52, 347-352 (2019).
  24. Chen, D., et al. A survey on analog-to-digital converter integrated circuits for miniaturized high resolution ultrasonic imaging system. Micromachines. 13 (1), 114(2022).
  25. Xie, Y., et al. Deep learning-assisted object recognition with hybrid triboelectric-capacitive tactile sensor. Microsys Nanoeng. 10 (1), 165(2024).
  26. Ding, Z., Chen, G., Wang, Z., Sun, L. Adaptive visual-tactile fusion recognition for robotic operation of multi-material system. Front Neurorobot. 17, 1181383(2023).
  27. Chen, L., Zhu, Y., Li, M. Tactile-gat: Tactile graph attention networks for robot tactile perception classification. Sci Rep. 14 (1), 27543(2024).
  28. Sarwar, M. S., et al. press and stroke: A soft capacitive sensor skin. Sci Rep. 13 (1), 17390(2023).
  29. Song, Z., et al. Flexible and wearable biosensors for monitoring health conditions. Biosensors. 13 (6), 630(2023).
  30. Zhang, Q., et al. Wearable triboelectric sensors enabled gait analysis and waist motion capture for iot-based smart healthcare applications. Adv Sci. 9 (4), 2103694(2021).
  31. Huang, X., Xue, Y., Ren, S., Wang, F. Sensor-based wearable systems for monitoring human motion and posture: A review. Sensors. 23 (22), 9047(2023).
  32. Liu, Y., et al. Electronic skin as wireless human-machine interfaces for robotic vr. Sci Adv. 8 (2), eabl6700(2022).
  33. Sun, X., et al. E-skin and its advanced applications in ubiquitous health monitoring. Biomedicines. 12 (10), 2307(2024).
  34. A flexible multi-channel and multimodal sensor data acquisition system. China National Intellectual Property Administration patent. , (2025).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Multimodal SensingTactile SensingFlexible ElectronicsSystem IntegrationHybrid Frequency SamplingWearable SensorsRobotic SkinReal Time Recognition

מאמרים קשורים