一种类人疼痛多模态感知传感器及其应用制造技术

本发明专利技术提供了一种类人疼痛多模态感知传感器，解决了目前只能进行疼痛检测与预警的问题，该传感器能够完整模拟受伤前中后人类疼痛的过程，该传感器可应用于假肢制作

【技术实现步骤摘要】
一种类人疼痛多模态感知传感器及其应用


[0001]本专利技术属于医疗器械
，具体涉及电子皮肤传感器领域，特别涉及一种类人疼痛多模态感知传感器及其应用
。

技术介绍

[0002]疼痛是人类皮肤在接触到有害刺激时产生的一种感觉，对于人类感知和躲避危险有着重要作用
。
如果机器人能够感知疼痛信号，就可以让机器人代替人去感知恶劣的工作环境
。
如果假肢能够感知疼痛信号，会更好地满足残疾人士心理情感需求
。
[0003]目前，对于疼痛感知的研究还局限在前期感知和预警的阶段
。
比如：
Osborn
等人设计了一种伤害感受器，当压力达到
150kpa
时，该感受器就会被激活，并引导义肢执行侵入性动作；
Minkyung Sim
等人利用氧化锌纳米线的塞贝克效应制成痛觉传感器并通过设计一种信号处理方法产生“刺痛”和“热”的痛觉警告信号；
Jeong
等人开发出一种基于压电纳米线传感器阵列的皮肤疼痛感受器实现疼痛感知，此项设计可以基本感知疼痛位置，并且当尖锐物体接触时产生报警信号；
Chenxu
等人开发出一种基于压阻原理的聚二甲基硅氧烷
‑
银纳米线（
PDMS
‑
AgNWs
）的柔性痛觉传感器，该传感器的设计简单可控，在该传感器中通过设计阈值检测物体的锐度和硬度，产生疼痛信号
。
[0004]但是相对于人体疼痛感知系统来讲，其仍然存在不足，主要原因在于，人类感知疼痛还包括了受伤时和受伤后信号传递至大脑以及大脑反馈处理信号至人体相关组织的过程
。
此外，人体皮肤感受到的疼痛不仅会有机械刺痛，常见的还有冷热刺痛
。
[0005]多模态融合技术为完成类人的，具有疼痛感知
、
定位
、
伤后保护过程的疼痛感知传感器的实现提供了技术基础
。
在此基础上，研究一种类人疼痛多模态感知传感器并将其应用在假肢制作
、
机器人等领域具有十分重要的意义
。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种类人疼痛多模态感知传感器，解决了目前只能进行疼痛检测与预警的问题，该传感器能够完整模拟受伤前中后人类疼痛的过程，该传感器可应用于假肢制作
、
电子皮肤
、
机器人等领域
。
[0007]具体地，本专利技术要解决的技术问题包括以下几个方面：如何完整地感知人类皮肤发生机械损伤的过程，包括：疼痛识别
、
损伤与避险
、
受伤后伤口保护以及自修复能力；如何既能模拟机械损伤又能感知冷热刺激；如何将多模态传感器应用在智能假肢等相关领域
。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种类人疼痛多模态感知传感器，多模态感知传感器由并联设置的压力传感器
、
温度传感器
、
损伤检测传感器和人工突触组成，能够感知机械损伤和温度损伤发生前
、
发生时
、
发生后的完整过程中的疼痛变化
。
[0009]进一步地，所述的多模态感知传感器的用途包括以下智能设备：智能假肢
、
智能机
器人
、
智能电子皮肤
。
[0010]对于上述提到的多模态传感器中的压力传感器所述的温度传感器为同一传感器，所述的压力传感器由全弹性固态电解质材料制备而成，所述的压力传感器能够检测受力的大小和方向以及热刺激和接近觉
。
[0011]具体地，压力传感器由离子热塑性聚氨酯材料制备而成
。
[0012]对于上述提到的多模态传感器中的损伤检测传感器包括
PDMS
底层以及沉积在底层上的两层镓基液态金属，镓基液态呈液珠结构
。
[0013]具体地，所述的液珠结构的直径为
10
µ
m
，沉积时间分别为
3min
和
2min。
[0014]对于上述提到的多模态传感器中的人工突触是利用
Nb:SrTiO3
单晶基板，通过电子束蒸发技术制备而成的
。
[0015]进一步地，多模态传感器依次通过源检测单元
、
微控制器和数模转换器与所述的智能设备连接，所述的源检测单元用于接收多模态传感器的信号并传输至所述的微控制器，所述的微控制器用于评估来自所述源检测单元的阻力信号并输出离散的数字信号，所述的数模转换器将离散的数字信号转换为连续的模拟信号并输出至所述的智能设备
。
[0016]针对机械损伤的情况，发生机械损伤前，所述的源检测单元接收压力传感器的信号；发生机械损伤时，所述的源检测单元接收损伤检测传感器的信号；发生机械损伤后直至恢复前，所述的源检测单元接收人工突触和压力传感器的信号
。
[0017]而对于发生温度损伤时，所述的源检测单元接收温度传感器的信号
。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：通过压力传感器
、
人工突触
、
损伤检测传感器，实现了对人类皮肤发生机械损伤的全过程的感知；通过温度传感器，使其还能对冷热刺激进行感知；通过微控制器
、
源测量单元
、
数模转换器建立了多模态感知控制单元，通过与假肢等配件相连，即可实现配件的类人疼痛感知
。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的一个较佳实施例的多模态感知传感器的组成示意图；图2是本专利技术的一个较佳实施例的应用示意和信号处理流程图
。
实施方式
[0020]以下结合说明书附图介绍本专利技术的优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解
。
[0021]如图1所示，本专利技术提出的多模态感知传感器由并联设置的损伤检测传感器
Rd
，人工突触
Rs
，压力传感器
Rp
，温度传感器
Rt
组成
。
[0022]其中，损伤检测传感器由镓基液态金属制造，具有两层呈液珠结构，通过沉积法进行制备
。
具体地，将镓基液态金属沉积在
PDMS
上，由于高表面张力，液态金属始终保持球形，暴露在空气中表面形成一层氧化膜，用于模拟细胞的破损过程
。
设备受到机械损伤时，液珠破裂液体金属外溢，形成导电通路；而通过复位电流可以实现复位（便于模拟受伤后修复的过程）
。
当未发生机械损伤时，损伤检测传感器整体呈现电绝缘与高阻值，当受到损伤时，损
伤检测传感器的阻值会快速显著降低
。
其中一种最优的损伤检测传感器中，第一层的液珠直径为
10
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种类人疼痛多模态感知传感器，其特征在于，多模态感知传感器由并联设置的压力传感器
、
温度传感器
、
损伤检测传感器和人工突触组成，能够感知机械损伤和温度损伤发生前
、
发生时
、
发生后的完整过程中的疼痛变化
。2.
根据权利要求1所述的一种类人疼痛多模态感知传感器，其特征在于，所述的多模态感知传感器的用途包括以下智能设备：智能假肢
、
智能机器人
、
智能电子皮肤
。3.
根据权利要求1所述的一种类人疼痛多模态感知传感器，其特征在于，所述的压力传感器与所述的温度传感器为同一传感器，所述的压力传感器由全弹性固态电解质材料制备而成，所述的压力传感器能够检测受力的大小和方向以及热刺激和接近觉
。4.
根据权利要求3所述的一种类人疼痛多模态感知传感器，其特征在于，所述的压力传感器由离子热塑性聚氨酯材料制备而成
。5.
根据权利要求1所述的一种类人疼痛多模态感知传感器，其特征在于，所述的损伤检测传感器包括
PDMS
底层以及沉积在底层上的两层镓基液态金属，镓基液态呈液珠结构
。6.
根据权利要求5所述的一种类人疼痛多模态感知传...

【专利技术属性】
技术研发人员：金明亮，陈琦，李锐聪，王峰，
申请(专利权)人：宁波瑞瑧生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：