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弹性可微调,基于LCN光敏材料的触觉模拟系统

原创 2023-01-23

Esther | 编辑

对于AR/VR体验来讲,体感、触觉模拟很重要,但现阶段还没有一种方便消费者使用、轻便的体感方案,因此Meta等公司不断在探索更好的体感技术。比如近期,Nature发表了一项来自荷兰埃因霍芬理工大学的新研究,该研究由Meta Reality Labs Research资助,涉及了一种自适应模量的光敏材料,可应用来模拟体感反馈。

基于LCN原理

据了解,液晶聚合物网络(LCN)是一种薄膜状材质,其具有独特的结构特性,可对外界刺激做出响应,从而实现器件驱动。该材质可作为智能制动器,在发动机、流体推动器、软体机器人等领域广泛应用。

LCN具有自适应模量,是一种火星表面材料,它支持预定义、冻结、后期调整分子顺序,因此材料本身的宏观特性也可以动态变化。

而荷兰埃因霍芬理工大学研发的光敏材料,便是利用了LCN的特性,来模拟体感反馈。

研究背景

科研人员指出,由于机器人技术、医学远程控制、AR/VR、智能电子产品快速发展,对人工合成触觉反馈的需求增大。目前,市面上有多种合成触觉的方案,探索了多种不同的技术,比如机械振动、响应聚合物、MEMS微电机系统、帕尔贴元件、激光、超声波、气动、喷气、表面声波、静电等等。

尽管触觉反馈技术在不断发展,但市面上的方案在稳定性、时空分辨率方面仍面临挑战。为了解决这一问题,科研人员开始探索LCN动态涂层方案,该方案具有高分辨率(微米级),可根据外部刺激改变特性并提供体感反馈,比如在被触摸的位置变形,或是从干性表面变成湿润表面。这些特性变化发生在材料本身,因此可合成逼真、直接的触觉。

由于触觉属于人类五感,可通过皮肤的力、位置、压力感受器来实现,其作用是辅助手部操作、感知和动觉交流,帮助人与物理/虚拟环境交互,以及导航。通过触觉,你可以感受物体的形状、硬度、粗糙度、质地和温度信息。

包含AFM悬臂、LCN图层、玻璃光掩模、紫外线LED、电线等元件

在这项研究中,科研人员应用具有光响应性的LCN材料作为动态涂层,可通过外部光刺激改变弹性特征,其高分辨率的局部自适应模量变化范围可达2微米。据悉,该材料可自适应功率强度50-90mW/cm²之间的紫外线,面对90mW/cm²功率的365纳米紫外线,弹性模量可降低87%。

通过动态改变弹性,这种LCN材质可更好的模拟施加在皮肤上的表面压力。

原理细节

这项方案采用了低摩尔质量液晶材料丙烯酸酯,其优势是易于定向,适合作为涂料。由于丙烯酸酯的加工粘度低,它可以很好的涂在一些复杂的几何形状上。在涂层过程中,若已建立所需的分子排列,便可通过光聚合原理来固话LC单体结构的分子组织。

后续LCN的分子排列顺序仍然可以改变,分子顺序变化也会改变聚合物特性,比如湿润性、弹性模量、玻璃化的转变温度、密度等等。

目前,市面上已经有人工合成的自适应模量材料,这种材料在经历热、光、电等外部刺激后,分子会重新排列。而LCN光敏材料对光的响应性,则是依赖于含偶氮苯分子。利用这种特性,科研人员开发出具有形状记忆的LCN材料(加入了少量含偶氮苯的二丙烯酸酯),该材料在接受光刺激时模量会变化。

除此之外,科研人员还展示了在LCN材料结构中加入荧光染料,大幅放大器模量(涂在玻璃表面上模量可提升280%),并展示了自适应模量效应从独立薄膜到涂层的转化,以及应用于样品局部位置的效果。

该材料的弹性可微调(由UV功率强度控制),而且分辨率很高(约2微米),因此可传递复杂的触觉信息。将这种材料应用于现有的设备,可为其添加触觉通信功能。值得注意的是,有该材料的模量变化局部可调,它可以很好的用来空间解析复杂的触觉信息。

而该方案可通过光刺激实现软化,由于在热力学平衡时存在大量反式异构体,所以该材质仅能投射少部分365纳米光,这减少了紫外线接触人体的危害。此外,还实现了更高的能效,和更低的散热。

参考:
https://www.nature.com/articles/s41598-022-24106-8#Fig1

( END)

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