CN109550148A - 一种柔性多功能电刺激装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能可拉伸电刺激装置，包括电触觉模块、电生理反馈模块、温度模块等。当前模块均是外加电刺激作用下，产生可控的电触觉、电生理和温度等信息，用于刺激人体的生理健康，支持人体康复与增强运动能力。所设计的多功能可拉伸电刺激装置，满足>30%的拉伸变形能力，与柔软皮肤的兼容型号。在外加电场作用下，实现对人体生理信息（电触觉、体温、电生理等）的可控刺激，有助于人体康复与增强运动能力。本发明还提供一种多功能可拉伸电刺激装置的加工制备方法，本发明多功能电刺激装置，具有超薄与重量轻等特点，为人们提供长时间、稳定的可控电刺激，为机器状态信息反馈到人体提供了一舒适的交互接口。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子制造领域，特别涉及柔性多功能电刺激装置与人机交互领域。
背景技术
目前，触觉再现装置为人与机器的自然交互提供了技术支持，机器状态信息反馈到人体的可拉伸电刺激器件设计与制备尤为重要，其中，刺激信号主要有电触觉刺激、生理反馈和声光刺激等方式。电刺激器件是一类重要的人机接口装置，在外加电场作用下，产生刺激信号，增强人体感知与动作执行能力。柔性可拉伸多功能电刺激装置与人体柔软皮肤兼容，其刺激强度存在量化精确、受到外界干扰少、一致性好等优点。
当前可拉伸电刺激旗舰在双向人机交互领域的应用还是一片空白，外界温度、电触觉、电生理反馈等直接影响机器与人体的交互，机器对人体的刺激行为与强度可控等问题还有待进一步研究，多种电刺激信号与人体生理行为之间的内在关系有待揭示，柔性电刺激装置对人体的刺激行为有待深入。
柔性可拉伸电刺激器件作为一种可嵌入或覆盖人体的高精尖装置，在不影响人体舒适度的情况下产生电触觉、声、光、温度等刺激信息，为电刺激器件可控电刺激提供了一种可行方案。随着交互式机器人技术的发展，可拉伸电刺激装置的设计与制造尤为重要，为双向人机交互应用提供理论和技术支持。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于面向机器信息到人体的反馈需求提供一种多功能可拉伸电刺激装置，包括基于电容阵列的电触觉模块、基于加热线圈的温度刺激模块和基于网状金属电极的电生理反馈模块，当前功能模块均集成到同一块柔性基板上，实现对人体长时间、稳定地产生电生理反馈、温度、电触觉等刺激信息，提出多功能集成的电刺激器件设计方法，实现对人体电刺激强度的量化评估与可控调节。
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种多功能可拉伸电刺激装置的制备方法，重点在于同一块可拉伸弹性薄膜上面同时集成设计与制备多种功能材料，金属薄片和柔性基底材料热力学性质、加工方式存在巨大的差别，金属薄片图案化并不是直接加工在最终的目标柔性衬底上。利用激光加工技术在辅助衬底上完成金属薄膜的图案化，电子皮肤最终实现与柔性衬底集成。利用胶带（具有热敏、光敏、水敏等性质）实现辅助衬底与图案化金属薄片的分离，再转印到目标柔性衬底上，实现胶带与电子皮肤的分离，完成多功能可拉伸电刺激装置的制备。
一种多功能可拉伸电刺激装置，包括基于电容阵列的电触觉模块、基于加热线圈的温度刺激模块和基于网状金属电极的电生理反馈模块，均集成于同一可拉伸弹性薄膜上，在外加电压的作用下，所设计、制备的多功能可拉伸电刺激装置为人体提供稳定可控的电生理、温度和电触觉等信息。
进一步地，所述多功能可拉伸电刺激装置的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备超薄柔性基底，将超薄柔性基底贴合到临时衬底上（尽量减小超薄柔性基底表面的褶皱）；
（2）用聚酰亚胺胶带将柔性基板粘在薄膜沉积设备的内腔里面，运用薄膜沉积设备分别在柔性基板表面沉积10纳米厚的铬和200纳米厚的金；
（3）在Auto CAD软件平台上完成多功能可拉伸电刺激装置的结构设计，并将其导入到激光雕刻机的操作软件中；然后将制备好的超薄柔性薄膜（表面已经沉积了金属）放置在激光雕刻机中，设定好工艺参数，完成金属薄膜的图案化；
（4）将图案化金属薄膜放置相应的溶液中使金属薄膜与临时衬底分离，同时使用热敏胶带将图案化金属薄膜拾取起来，完成多功能可拉伸电刺激装置的转移；
（5）运用各向异性导电胶带将电刺激装置的引脚引出，方便对电刺激装置施加外加电压；
（6）运用红外加热减弱热敏胶带的粘性，实现热敏胶带与电刺激装置的分离；
（7）将热敏胶带上的多功能可拉伸电刺激装置贴合在指定的皮肤或者组织表面；
（8）电刺激装置在外加电压作用下对人体皮肤表面产生电触觉、温度和电生理反馈等刺激信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明一种多功能可拉伸电刺激装置，具有大拉伸变形能力，主动适应柔软皮肤表面；多功能可拉伸电刺激装置与皮肤表面保持共形接触，减小多功能电刺激健康装置与皮肤表面之间的运动滑移，提高多功能可拉伸电刺激装置产生电刺激信号的稳定性，从而提高人机交互运动控制的精度。进一步地，本发明多功能可拉伸电刺激装置采用金属薄膜沉积、激光加工图案化和胶带转印工艺制备，其设计加工简单易操作，简化多功能装置制备的工艺过程，考虑到规模化生产，实现卷对卷的连续转印方式。
本发明多功能可拉伸电刺激装置，采用有机高分子聚合物进行封装，这种聚合物具有很大的弹性变形能力，从而使其贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了多功能可拉伸电刺激装置的应用范围。
综上所述，本发明多功能无线无源生理健康监测装置，结合柔性薄膜材料既能提供较好的拉伸和压缩性能，为可穿戴电子器件和人机交互应用提供更好地舒适性。
附图说明
图1多功能电刺激装置的结构布局，主要包括电触觉、温度加热和电生理反馈等刺激功能模块。
图2 多功能电刺激器件原理与功能模块设计。（a）为电触觉装置的工作原理，（b）为电触觉装置的结构示意图；（c）为温度加热模块的工作原理，（d）为温度加热模块的结构设计图；（e）为电生理反馈模块的原理图，（f）为电生理反馈模块对应的结构设计图。
图3 多功能电刺激装置的加工工艺。主要包括金属薄膜的沉积与图案化过程和基于敏感胶带的转移过程。
图4为电刺激装置的具体实施方式。
图5为多功能电刺激装置在外加电流作用下的刺激结果。
图中符号意义说明如下：
11-弹性薄膜；12-表面电生理电极模块；13-热电偶温度模块；14-压电血压脉搏模块；15-可拉伸互连结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参见图1，给出了多功能电刺激装置的电刺激原理，所设计加工制备的多功能电刺激装置包括电触觉刺激模块，温度刺反馈模块、电生理势模块。其中，电触觉刺激模块采用电容阵列实现（图1（14）），在外加电压作用下，产生电触觉再现信息，刺激人体触觉感知能力；温度刺激模块采用加热线圈实现（图1（13）），在外加电压作用下，线圈发热产生温度信息刺激人体的皮肤表面温度敏感能力；电生理反馈模块采用网状金属电极实现（图1（11）），在外加电压的作用下，电极产生电生理势信息，刺激人体的肌肉活动能力，增强人体的动作执行能力。
参见图2，所设计、制备的多功能可拉伸电刺激装置为人体提供稳定可控的电生理、温度和电触觉等信息，多功能刺激装置的原理为：电触觉刺激在外加电场作用下同心共轴电容产生触觉信息刺激人体（图2（b））、温度刺激在外加电场作用下线圈产生热量信息刺激人体（图2（d））、电生理反馈在外加电场作用下产生电生理信息刺激人体（图2（e）），多功能电刺激装置依附在可拉伸弹性基板上，在外加电场作用下产生稳定可控的电生理、温度和电触觉等信息。电刺激装置可控刺激主要取决于装置结构、功能材料、工作环境和外加电压。
图2中为对应的多功能电刺激装置的功能模块示意图。例如图2（a）为所设计的电触觉再现与刺激模块，同心共轴电容阵列在外加电压下产生电触觉刺激信号，阵列单元与互连微结构相连实现电触觉模块的拉伸变形能力；图2（c）为所设计的温度刺激模块，由可拉伸微结构相连构成的线圈电阻，在外加电压的作用下产生加热刺激信息，实现对人体皮肤表面的温度动态调节；图3（e）为所设计的电生理反馈模块，健康监测模块主要依赖于人体皮肤表面的离子活动，利用金属薄膜电极感知并记录人体的电生理势信息。参见图1和图2，所设计的多功能电刺激装置在外加电压作用下对人体产生相应的激励信号，增强人体的感知与动作执行能力；同时所设计的多功能电刺激装置采用蜿蜒结构设计，以保证多功能电刺激装置的拉伸变形能力。
图3中为多功能电刺激装置的制备工艺过程，主要包括金属薄膜的图案化工艺和基于胶带的转印过程。其中金属薄膜图案化之前，需要使用薄膜沉积设备制备超薄金属薄膜，金属图案化使用激光加工实现；使用热敏胶带拾取图案化多功能电刺激装置，然后使用红外加热成功释放电刺激装置。
本发明给出多功能电刺激装置的制备方法，参见图4，包括以下步骤：
（1）准备超薄柔性基底，将超薄柔性基底贴合到临时衬底上（尽量减小超薄柔性基底表面的褶皱）；
（2）用聚酰亚胺胶带将柔性基板粘在薄膜沉积设备的内腔里面，运用薄膜沉积设备分别在柔性基板表面沉积10纳米厚的铬和200纳米厚的金；
（3）在Auto CAD软件平台上完成多功能可拉伸电刺激装置的结构设计，并将其导入到激光雕刻机的操作软件中；然后将制备好的超薄柔性薄膜（表面已经沉积了金属）放置在激光雕刻机中，设定好工艺参数，完成金属薄膜的图案化；
（4）将图案化金属薄膜放置相应的溶液中使金属薄膜与临时衬底分离，同时使用热敏胶带将图案化金属薄膜拾取起来，完成多功能可拉伸电刺激装置的转移工作；
（5）运用各向异性导电胶带将电刺激装置的引脚引出，方便对电刺激装置施加外加电压；
（6）将热敏胶带上的多功能可拉伸电刺激装置贴合在指定的皮肤或者组织表面，运用红外加热减弱热敏胶带的粘性，实现热敏胶带与电刺激装置的分离；
（7）电刺激装置在外加电压作用下对人体皮肤表面产生电触觉、温度和电生理反馈等刺激信息。
制备方法实例：
下面结合具体实例和图4对本发明作进一步说明。图4为本发明可拉伸多功能无源生理健康监测装置制备流程图，其中，（1）准备超薄柔性基底PET（厚度为1.4微米），将超薄柔性基底贴合到含有水溶胶的木浆纸上（尽量减小超薄柔性基底表面的褶皱）；
（2）用聚酰亚胺胶带将柔性基板粘在薄膜沉积设备的内腔里面，运用薄膜沉积设备分别在柔性基板表面沉积10纳米厚的铬（溅射功率100瓦，时间30秒，压强0.8帕）和200纳米厚的金（溅射功率100瓦，时间15分钟，压强0.8帕）；
（3）在Auto CAD软件平台上完成多功能可拉伸电刺激装置的结构设计，并将设计图案文件转换为.dxf格式，并将其导入到激光雕刻机（cut plotter 1100）的操作软件中；然后将制备好的超薄柔性PET薄膜（表面已经沉积了铬和金）放置在激光雕刻机的工作平台中，调节好雕刻机的刀的位置，设定好步进电机的运动速度为5毫米/秒，按照设计的图案完成金属薄膜的图案化；
（4）将图案化金属薄膜放置500毫升的清水中，使金属薄膜与临时衬底分离，同时使用热敏胶带将图案化金属薄膜拾取起来，实现将多功能可拉伸电刺激装置转移到热敏胶带上；
（5）运用各向异性导电胶带将电刺激装置的引脚引出，方便对电刺激装置施加外加电压；
（6）将热敏胶带上的多功能可拉伸电刺激装置贴合在指定的皮肤或者组织表面，运用红外加热减弱热敏胶带的粘性，实现热敏胶带与电刺激装置的分离；
（7）电刺激装置在外加电压作用下对人体皮肤表面产生电触觉、温度和电生理反馈等刺激信息。
可拉伸多功能无线无源生理健康监测装置应用实例说明：
通过图4所示的加工制备工艺方法，得到在可拉伸弹性基板上集成电触觉模块、温度模块和电生理反馈等功能的多功能电刺激装置，多功能可拉伸电刺激装置贴合在皮肤表面，在外加电压作用下产生电触觉、温度和电生理等反馈信息，作用于人体，用于增强人体的感知能力和动作执行能力。当图5为多功能装置在电流为3毫安，周期为20赫兹的外加电流作用下产生的电刺激信号。其中（a）为电触觉信息，用于增强人体的触觉再现功能和改进人体与外界的交互能力；（b）为温度刺激信息，用于刺激人体皮肤表面温度，有增强人体动作执行能力的作用；（c）为电生理反馈刺激信息，用于人体的神经生理反馈，让电刺激装置成为人体生理的一部分。述多功能电刺激装置在外加电压作用下同时产生多种电刺激信号，有助于揭示多种刺激信息之间的耦合关系，增强残疾人群的感知与动作执行能力。
Claims (7)
1.一种多功能电刺激装置，包括电触觉模块、温度加热模块、电生理势反馈模块；在外加周期性电场作用下，同时实现对人体的电触觉、温度和电生理反馈等刺激。
2.根据权利要求1所述的多功能电刺激装置，其特征在于，所述生理感知功能模块均是在外加电场作用下，产生稳定与可控调节的电触觉、温度和电生理反馈等信息。
3.根据权利要求2所述的多功能电刺激装置，其特征在于，所述多功能电刺激装置同时产生电触觉、温度和电生理反馈等生理信息。
4.一种多功能电刺激装置的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备超薄柔性基底，将超薄柔性基底贴合到临时衬底上（尽量减小超薄柔性基底表面的褶皱）；
（2）用聚酰亚胺胶带将柔性基板粘在薄膜沉积设备的内腔里面，运用薄膜沉积设备分别在柔性基板表面沉积10纳米厚的铬和200纳米厚的金；
（3）在Auto CAD软件平台上完成多功能可拉伸电刺激装置的结构设计，并将其导入到激光雕刻机的操作软件中；然后将制备好的超薄柔性薄膜（表面已经沉积了金属）放置在激光雕刻机中，设定好工艺参数，完成金属薄膜的图案化；
（4）将图案化金属薄膜放置相应的溶液中使金属薄膜与临时衬底分离，同时使用热敏胶带将图案化金属薄膜拾取起来，完成多功能可拉伸电刺激装置的转移；
（5）运用各向异性导电胶带将电刺激装置的引脚引出，方便对电刺激装置施加外加电压；
（6）运用红外加热减弱热敏胶带的粘性，实现热敏胶带与电刺激装置的分离
（7）将热敏胶带上的多功能可拉伸电刺激装置贴合在指定的皮肤或者组织表面，；
（8）电刺激装置在外加电压作用下对人体皮肤表面产生电触觉、温度和电生理反馈等刺激信息。
5.根据权利要求4所述的多功能电刺激装置的制备方法，其特征在于，所述多功能电刺激装置的功能模块均是通过一次镀膜与雕刻机图案化完成，简化多功能电刺激装置的加工制备工艺过程。
6.根据权利要求4所述的多功能电刺激装置的制备方法，其特征在于，所述多功能电刺激装置实现对人体的稳定电刺激和刺激强度的可控调节。
7.按照权利要求4~6任意一项所述的制备方法制备的多功能电刺激装置。
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| CN201811469209.7A CN109550148A (zh) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 一种柔性多功能电刺激装置及其制备方法 |
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Cited By (1)
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| CN110638448A (zh) * | 2019-10-01 | 2020-01-03 | 华东交通大学 | 一种面向双向人机交互应用的全柔性聚合物接口 |
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2018
- 2018-11-28 CN CN201811469209.7A patent/CN109550148A/zh active Pending
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