清華新聞網(wǎng)5月31日電 復(fù)刻人類皮膚源于自然演化的高級(jí)感知功能，是電子皮膚、機(jī)器人等前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。為此，科學(xué)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(fù)現(xiàn)人體皮膚中機(jī)械感受器的細(xì)微觀三維空間分布形式，進(jìn)而像皮膚一樣，在物理層面實(shí)現(xiàn)壓力、剪切力、應(yīng)變等多種機(jī)械信號(hào)的同步解耦感知。
圖1.具有三維架構(gòu)的電子皮膚：仿生設(shè)計(jì)概念及真實(shí)器件圖片。A圖展示電子皮膚的仿生設(shè)計(jì)概念；B圖為貼于機(jī)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(yīng)變傳感器局部放大圖及應(yīng)變柵線與過孔局部顯微放大圖片
近日，受人類皮膚中機(jī)械感受器空間分布形式的啟發(fā)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（柔電國重）張一慧教授課題組提出了一種具有三維架構(gòu)的新型電子皮膚設(shè)計(jì)概念，其結(jié)構(gòu)中的力與應(yīng)變傳感器的三維分布效仿了人類皮膚中梅克爾細(xì)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(cè)量壓力、剪切力和應(yīng)變（圖1）。與皮膚結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)為八臂籠狀結(jié)構(gòu)，傳感器位于籠狀結(jié)構(gòu)上部，更靠近電子皮膚表面，因而對(duì)外部作用力高度敏感；應(yīng)變傳感器位于器件底部的拱形結(jié)構(gòu)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(duì)面內(nèi)的拉伸應(yīng)變敏感，幾乎不會(huì)受壓力的干擾。
課題組基于這種具有三維架構(gòu)的電子皮膚，結(jié)合深度機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研制出只需通過觸摸便可同時(shí)測(cè)量物體模量及局部主曲率的先進(jìn)觸覺系統(tǒng)（圖2），展示了其在判別食物新鮮程度等真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用，并深入探討了其在物理量定量測(cè)量（如摩擦系數(shù)等）、人機(jī)交互等重要領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
圖2.基于新型電子皮膚器件研制的觸覺系統(tǒng)：時(shí)空映射與模量曲率定量測(cè)量。圖A-D為時(shí)空映射圖；圖E為利用該觸覺系統(tǒng)測(cè)量食物、水果模量與曲率的實(shí)驗(yàn)圖片及測(cè)量結(jié)果
5月30日，相關(guān)研究成果以“仿人類皮膚機(jī)械感知功能的三維架構(gòu)電子皮膚”（A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation）為題，在《科學(xué)》（Science）發(fā)表。
張一慧為論文通訊作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生劉志、2021級(jí)博士生胡笑男和柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(xué)院2023級(jí)博士生羊佑舟、2020級(jí)博士生徐世威、2019級(jí)博士生沈張明、2017級(jí)博士生程旭（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)博士后），以及航天航空學(xué)院博士后龐文博、劉卿、王月皎、王書恒。研究得到科學(xué)探索獎(jiǎng)、國家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目與創(chuàng)新群體項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
