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钛深科技:首创柔性离电式触觉传感技术,模组获FDA认证,可无感、精准监测人体数据

2020-07-09 10:40
动脉网
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怎样才能让一个机器人更像人类?或许你会回答,是能够感知这个世界,能够看、能够听、能够说……。但我们都忽略了“感知”的字面含义,它应当是包含触觉的。人类的感官如同机器人的传感器一般,只有视觉、听觉,是远远不够的。

“如果把人类物理感官接收到的信号设为100%,其中集中于眼球的视觉大概占据着70%、集中于耳朵的听觉仅占据着不到5%、而触觉信号由于遍布全身实际上会占到总信息量的20-25%”,“由于视觉的重要性和技术的成熟度,今天我们看到人工智能基本都是基于视觉的研究及应用,同时,听觉作为重要的补充手段,而触觉技术的发展与应用远远滞后前者”。加州大学戴维斯分校生物医学工程系的潘挺睿教授相信,虽然目前触觉传感技术尚未完全达到全面工业化应用的阶段,但是“挑战即是机遇,未来触觉传感器给予的信息和人类需要用到的触觉信息,将会很快超越一个技术临界值,届时,触觉可能会成为人类基于视觉之后的下一个智能研究重点。”这或许也是钛深科技诞生的缘由之一。

首创离电式传感技术的研究型团队

潘挺睿教授娓娓道来的离电式传感技术的发明,更像是进行了一场科学的邂逅,能够获得成功得益于潘教授本身的学历背景:他曾经在加州大学攻读机械学专业,之后在明尼苏达大学分别获得电子工程博士与生物医学工程专业硕士学位。交叉学科的背景,在这场发明柔性离电式传感技术的冒险中给予了他诸多助益。

潘教授指出,早在2010年他们就进行了离电式传感技术的发明。彼时,潘教授已在美国加州戴维斯分校生物医学工程系工作长达4年之久。在研究荷叶效应时,他突然获得了灵感:为何不从微风拂来时荷叶上水滴的震动中去研究力的反馈呢?从水滴的颤抖到力反馈再到具备高度灵敏性的传感器,其中经历的过程并非想象的那么简单。

见的传感器,中间存在弹性元器件,当进行挤压时会产生形变,通过电磁光热效应可以将其转换为电信号,借此将力信号与电信号结合,获得直观的解读。钛深科技的独特之处在于全球首次采用液体作为弹性体,形成了柔性的离电式触觉传感器。中间也涉及到分子界面的双电层电容原理,即液体中离子与固体中的电子相遇,会产生巨大作用力,产生非常强的电容信号。潘教授自豪地表示,“我们惊讶的发现,这将传统电容传感器件的灵敏度一下提高了一万倍”。

或许是基于潘教授在离电式传感技术上的研究贡献,2015年,他成为了所在系最为年轻的终身正教授,同时,他和团队获得了全球首个基于离电传感技术的专利授权。而后的多年中,他领导团队一直努力探索着离电式传感技术的应用,从材料、设计、生产到加工工艺的各个角度层面进行着深入的研究与分析,并最终研制成功了基于全固态材料的柔性离电式触觉传感器。经过不懈的努力,国际主流学术界在2018年达成共识,将离电传感列为新一代(第四代)柔性力和触觉传感机制。

实际上,看到巨大潜力的潘教授,并不甘于让技术仅仅停留在研究层面。在2015年,潘教授便在美国旧金山大湾区成立了钛深科技。但是由于团队更注重研究,产业化落地不够理想。2018年,潘教授在昔日同窗搜狗CEO王小川的帮助下,重新与自己另一位同窗、身为职业经理人的汪晓阳博士建立联系,并与中国科学院深圳先进技术研究院达成合作,最终在国内成立了钛深科技(深圳)有限公司。如今,钛深科技将深圳作为总部,在北京、成都设立办事处,将美国的钛深科技作为研发中心,三者协同运转。

离电式触觉传感器:灵敏、轻薄、无感

钛深科技的柔性离电式触觉传感技术,想象空间显然不止于医疗领域,还涉及消费电子、机器人及智能汽车等。要真正理解离电式触觉传感器的应用领域和应用场景,我们还是得回到技术特点上去。
潘教授基于对以往的传感器研究指出,一代电阻式传感器灵敏度低但是成本也低,仅几毛钱;二代电容式传感器,灵敏度高的同时,解决了动态响应的问题;三代压电式传感器需要采用特殊材料,形变可以产生电压,给予电压也可以产生形变,相比前两者有着更高的灵敏度。但存在的问题是“当你用手抓杯子,它可以测到抓握瞬间的压力,却无法确认你是持续拿着杯子还是把杯子放了下来。”由于只能检测相对变化,在使用场景上会大幅受限。而且有着较高的生产成本。

潘教授首创的离电式传感技术,实际上也历经了多次迭代。最初,他们采用了采用液体式传感器,“虽然好玩好看但是不适用。而且加工比较麻烦,每一个液体传感器中还要加入液滴。还需要解决受力限制、体积大小、液体挥发等技术性问题。”随后,逐渐从开发液体传感材料转变到全面固态材料的传感器。考虑到测量中可能需要分布式接触面的测量,他们随后也将传感器从单点式扩展成了阵列式。
相较于前三代触觉传感技术,钛深科技的离电式触觉传感器的优势是相当明显的。

第一个优势在于其离电材料的高透明度,它使得设备模组可以覆盖在很多物体表面,保持以前材料性能以及视觉上的协同;第二个优势在于传感器中接触界面和功能层,仅需1-2纳米的厚度,材料可以设计得相当轻薄,实现纳米级别的材料覆盖,制造成本会急剧下降。离电式触觉传感还拥有超高的器件灵敏度,而相较于同样高灵敏的压电式传感器,其独有的自滤波特性,又使其具备相当强的抵抗环境噪音的能力和绝对压力检测的功能。可实时感知受力状况的离电式传感器,允许接入到更多的使用场景中。

模组获FDA认证,发力人体数据监测

潘教授认为离电式触觉传感器将会基于以下三个方向进行布局和发展:1. 实现电子皮肤和数字化的触觉感知;2. 实现对人体内部生理信号的数字感知;3. 赋予传统物体新的触觉感知功能。钛深科技也在这些方向上,进行了深入的研发与尝试。

潘教授指出,数字感知和触觉感知主要涉及对身体内外的压力,血压、眼压以及脉搏搏动等生理数据的感知。比如,在肠胃不顺的时候,数字感知观察胃肠蠕动效果。在以往这是无法进行测量的,但钛深科技通过运用离电式传感技术,跟国际领先的胶囊机器人厂商合作,正打造新一代的胶囊机器人,监测胃肠蠕动;在心血管手术领域中,大部分手术需要进行插管,但只能凭借医生的经验进行操作,可能带来一定的损害。如果拥有触觉反馈具备数字化的触觉感知能力,就可以减少损害的发生;再比如将其运用于女性分娩产后的康复监测等等。

针对神经退行性疾病如帕金森病,以及心血管疾病患者,钛深科技可以提供一系列生理数据的监测。与以往通过PPG模组监测的传感器对比,钛深科技的离电式传感触觉传感技术有着更好的精准度,且采用该技术的可穿戴产品在佩戴时往往无感。钛深科技在CES展上推出的智能鞋,是全球首款可以测心率、呼吸、血压变化及运动状态的产品。鞋内的触觉反馈模组已获得FDA认证。因为腿上相关筋络控制了脚步的动作,通过阵列式传感器甚至可以十分精准地获得步行的姿势、状态。脉搏方面,钛深科技也做了很多,可以很好地监测脉搏波。血压方面,以往通过阻断方式进行测量,但钛深科技允许在施加低压的方式下对人体血压进行连续监测。

汪晓阳引用华米科技CEO的话强调,“如果真正对大健康认真的话,一定会从传感器做起”。“目前钛深科技测量到的数据有着更高的精准度。有人可能会认为是多余。但是你并不清楚高精度的数据中哪一项是否就跟疾病有关。”钛深科技则通过它小型化、无感化、精准化的传感器模组不断收集着这些数据。

赋予传统物体新的触觉感知功能,可以以残疾人康复为例。比如部分盲人在学习盲文的过程中,可以直接通过触觉反馈,将触碰到的文字读给他听。更为重要的是,将周围环境变成一个可以提供触觉反馈的环境,让部分感官受损的人获得便利。实际上,在假肢方面钛深科技也进行了一些尝试,但是目前如何去解决电信号与神经信号的联接,仍旧是需要长期探索的问题。

此外,在情绪感知方面,潘教授表示可以通过采用了离电式传感技术的智能眼镜判断用户目前的专注力、疲劳度和生理信号等,同时还可监测神经信号。针对无法进行自我表述的少年、老人,可以通过情绪计算十分精准地识别到他们的情绪波动,更好地帮助到患者,并在出现危急的情况下实现预警。

产业化落地需要企业协同发展

实际上,目前钛深科技也在与部分上市公司进行合作,比如深圳先健医疗。部分健康级的产品已在发货过程中,而医疗级的传感器产品也处于临床三期的状态。对于钛深科技来说,它们在其中扮演的是底层技术平台的角色。

钛深科技希望通过落地的应用,吸引其他公司达成合作。在合作方面,提供定制化的解决方案。比如,当用户想要研究自闭症或者狂躁症时,钛深科技会选择从学术角度出发,先寻找相应判断指标,通过技术分析确定是否可以对指标进行连续数据监控。随后,会进行小规模的测试,而后再继续大面积的临床测试,以确保其安全性和准确性。

钛深科技目前在医疗领域进行了一定尝试,也在探索除了胶囊机器人外,是否可以结合心血管手术器具、内窥器具,为其赋能。潘挺睿教授表示,“在手术过程中光有影像是不够的,要真切感受到组织的软硬还是需要传感器进行一定的力反馈。”而像针对抑郁症、自闭症等,厂商需要为其赋能,能够为病症提供更多的数据监测信息,才能够最终地跑出赛道。

汪晓阳表示,虽然目前钛深科技作为医疗传感器联盟发起单位,有一定技术实力以及影响力,但是要让整个产业的落地,并不是一家公司就能实现的。这仍旧需要上下游的企业的共同参与,也希望能够接触到更多的行业内公司,共同将市场做大。目前钛深科技正在准备A+轮融资,计划对钛深科技做好推广的同时,筹建自己的生产线,保障量产的质量与工艺,搭建方案团队完善自身的产品。

潘挺睿教授表示,“未来从医疗传感到健康数据,并不会仅基于传统的医院和病人,而是基于智能和每一个个体之间每时每刻的强关系。”这也意味着,未来有着很大的想象空间。

作者:钟庆宏

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