我国学者在基于三维架构的仿生电子皮肤研究方面取得进展

　　

图 （A）为电子皮肤的仿生设计概念；图（B）为贴于仿生手指尖的电子皮肤；
图（C-G）为电子皮肤的照片、力和应变传感单元的局部放大图、力和应变传感器以及过孔的显微图片

　　在国家自然科学基金项目（批准号：12225206、12050004）等资助下，清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室（柔电国重）张一慧教授团队在仿人类皮肤机械感知功能的新型三维电子皮肤研究方面取得进展。研究成果以“仿人类皮肤机械感知功能的新型三维电子皮肤（A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation）”为题，于2024年5月31日发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556。

　　复刻人类皮肤源于自然演化的高级感知功能，是电子皮肤、机器人等前沿科学技术领域长期追求的目标。为此，科学家们开展了大量研究工作，并取得了丰硕的成果。然而，目前尚未有电子皮肤能够复现人体皮肤中机械感受器的细微观三维空间分布形式，进而像皮肤一样在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解耦感知。

　　受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，该研究团队提出了一种具有仿生三维架构的新型电子皮肤设计概念，其结构中的力与应变传感器的三维分布效仿了人类皮肤中慢适应机械感受器（梅克尔（Merkel）细胞和鲁菲尼（Ruffini）小体）的空间分布形式，使该器件能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变。与皮肤结构类似，该三维电子皮肤也由“表皮”“真皮”和“皮下组织”组成，且各层的有效模量与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路主要位于“真皮”层中，其中，力传感单元设计为八臂笼状结构，其传感器位于笼状结构上部，更靠近电子皮肤表面，因而对外部作用力高度敏感；应变传感器位于器件底部的拱形结构上，在垂直高度上与力传感单元上部的传感器保持一定的距离，因此其只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。该团队基于这种具有三维架构的电子皮肤，结合深度学习，研制出只需通过触摸便可同时测量物体模量及局部主曲率的先进触觉系统，展示了其在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用，并深入探讨了其在物理量定量测量（如摩擦系数等）、人机交互等重要领域的应用潜力。