【儀表網 研發快訊】復刻人類皮膚源于自然演化的高級感知功能，是電子皮膚、機器人等前沿科學技術領域長期追求的目標。為此，科學家們開展了大量研究工作，并取得了豐碩的成果。然而目前，尚未有電子皮膚能夠復現人體皮膚中機械感受器的細微觀三維空間分布形式，進而像皮膚一樣，在物理層面實現壓力、剪切力、應變等多種機械信號的同步解耦感知。
 

　　圖1.具有三維架構的電子皮膚：仿生設計概念及真實器件圖片。A圖展示電子皮膚的仿生設計概念；B圖為貼于機械手指尖的電子皮膚；圖C-G為電子皮膚的照片、力傳感單元與應變傳感器局部放大圖及應變柵線與過孔局部顯微放大圖片

 

　　近日，受人類皮膚中機械感受器空間分布形式的啟發，清華大學航天航空學院、柔性電子技術實驗室(柔電國重)張一慧教授課題組提出了一種具有三維架構的新型電子皮膚設計概念，其結構中的力與應變傳感器的三維分布效仿了人類皮膚中梅克爾細胞(Merkel)和魯菲尼氏小體(Ruffini)的空間分布形式，使該器件能夠從物理層面解耦地測量壓力、剪切力和應變(圖1)。與皮膚結構類似，該三維電子皮膚也由“表皮”“真皮”和“皮下組織”組成，且各層的有效模量與人體皮膚中的對應層相近。傳感器及電路主要位于“真皮”層中，其中，力傳感單元設計為八臂籠狀結構，傳感器位于籠狀結構上部，更靠近電子皮膚表面，因而對外部作用力高度敏感；應變傳感器位于器件底部的拱形結構上，在垂直高度上與力傳感單元上部的傳感器保持一定的距離，因此只對面內的拉伸應變敏感，幾乎不會受壓力的干擾。
 

　　課題組基于這種具有三維架構的電子皮膚，結合深度機器學習算法，研制出只需通過觸摸便可同時測量物體模量及局部主曲率的先進觸覺系統(圖2)，展示了其在判別食物新鮮程度等真實場景中的應用，并深入探討了其在物理量定量測量(如摩擦系數等)、人機交互等重要領域的應用潛力。
 

　　圖2.基于新型電子皮膚器件研制的觸覺系統：時空映射與模量曲率定量測量。圖A-D為時空映射圖；圖E為利用該觸覺系統測量食物、水果模量與曲率的實驗圖片及測量結果

 

　　5月30日，相關研究成果以“仿人類皮膚機械感知功能的三維架構電子皮膚”(A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation)為題，在《科學》(Science)發表。
 

　　張一慧為論文通訊作者，清華大學航天航空學院2018級博士生劉志、2021級博士生胡笑男和柔性電子技術實驗室副研究員柏韌恒(航院已出站博士后)為論文共同第一作者。論文作者還包括航天航空學院2023級博士生羊佑舟、2020級博士生徐世威、2019級博士生沈張明、2017級博士生程旭(現為新加坡國立大學博士后)，以及航天航空學院博士后龐文博、劉卿、王月皎、王書恒。研究得到科學探索獎、國家自然科學基金委原創探索計劃項目與創新群體項目等的資助。
 

　　原標題：航天航空學院、柔性電子技術實驗室張一慧課題組報道仿人類皮膚機械感知功能的新型三維電子皮膚