突破性进展！可扩展磁敏电子皮肤：实现高效高分辨交互，引领扩展现实新变革

为解决磁敏电子皮肤大面积连续传感及高分辨率、低能耗难题，Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V. 的研究人员开展相关研究，制备出新型磁敏电子皮肤。该成果在 XR 等领域应用前景广阔，强烈推荐科研读者阅读。

　　

来自 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V.（德国亥姆霍兹德累斯顿 - 罗森多夫研究中心）的研究人员 Pavlo Makushko、Jin Ge 等人在《Nature Communications》（《自然通讯》）期刊上发表了题为 “Scalable magnetoreceptive e-skin for energy-efficient high-resolution interaction towards undisturbed extended reality” 的论文。这篇论文在电子皮肤（e-skin）和扩展现实（XR）等领域具有重要意义，为相关技术的发展开辟了新的方向 。

论文摘要指出，电子皮肤旨在超越人类自然感知，例如通过创造磁感知功能来感知无处不在的磁场并与之交互。然而，实现大面积空间连续传感的磁敏电子皮肤颇具挑战，因为随着传感分辨率的提高，功耗也会增加。该研究通过结合巨磁电阻效应和电阻层析成像技术，实现了在区域内对磁场的连续传感，传感分辨率优于 1mm。与传统基于晶体管的磁敏矩阵相比，该方法使磁感受器的能耗降低了三个数量级。简化的电路配置赋予了电子皮肤光学透明、机械柔顺以及透气透液的特性，使其能够无缝集成到皮肤上。这些成果为诸多特殊应用奠定了基础，如可实现无干扰精细手势识别的磁敏电子皮肤，以及能实现非接触交互的磁敏隐形眼镜。

在当今科技飞速发展的时代，扩展现实（XR，包括增强现实 AR 和虚拟现实 VR ）、物联网（IoTs）和人工智能（AI）取得了巨大进步，物理世界和数字世界的界限日益模糊，二者的融合愈发深入。此时，一个直观且响应迅速的界面对于有效连接这两个世界、更好地与人类进行信息交互至关重要。电子皮肤应运而生，它被设计用于增强人类感知或恢复失去的感觉器官功能，帮助人类与环境互动。理想的电子皮肤应具备多种特性：一是保留人类皮肤的基本生理功能，如机械柔顺性（可拉伸、灵活）、能够反射视觉信号以及对液体和蒸汽的渗透性；二是能在大面积表面上连续运行，且空间上无中断；三是具备高分辨率传感能力，以实现精确交互；四是在大面积上高效节能运行，确保长时间使用；五是在嘈杂或干扰环境（如高出汗环境或被衣物覆盖的情况下）仍能保持性能；六是能减少感染和细菌 / 病毒传播，特别是在与健康相关或长期应用场景中。虽然已经有许多对温度、压力和光等刺激敏感的功能化电子皮肤的实例，但要将上述所有特性集于一身，仍然是一个难以实现的目标。

磁感知，即感知外部磁场的能力，在许多物种的定向和导航中广泛存在。近期，这一能力也被引入到类皮肤感觉器官的研究中。诸如皮肤兼容的巨磁电阻（GMR）、磁隧道结（MTJ）、各向异性磁电阻（AMR）、自旋阀、磁阻抗和霍尔传感器等元件被应用于此，它们不仅为研究认知机制提供了工具，还为交互性开辟了新途径。然而，实现大面积空间连续且无缝的传感，以及优化传感分辨率和降低能耗，仍然是巨大的挑战。为了克服这些障碍，虽然最近出现了磁敏有源矩阵，但其结构复杂，随着交互面积的增大，电路元件和电极接触数量剧增，功耗大幅上升，而且复杂的多层电路布局不可避免地损害了皮肤的某些生理属性，如机械性能、视觉效果和渗透性。因此，开发一种仅用少量电路元件、低功耗且能在大面积上实现类皮肤磁感知的系统迫在眉睫。

受到蜘蛛和鳗鱼的启发，研究人员提出了一种磁感受器的设计。蜘蛛利用简单的传感介质（蛛网）和有限数量的信号通道（蜘蛛腿）就能感知大面积区域的局部变化；鳗鱼通过分布在身体两侧的电感受器和周围的水来实现类似功能。基于此，该磁感受器由一个单一的磁敏层与 16 个（8 个或 32 个也可行）测量电极接触构成。通过结合巨磁电阻效应和电阻层析成像技术（研究人员将此方法命名为电磁电阻层析成像，即 EMRT），该磁感受器实现了大面积、高分辨率且低能耗的磁场连续传感。

在技术验证方面，该大面积磁感受器利用电阻层析成像技术和磁阻介质来识别磁刺激。与传统的点式或矩阵式配置不同，EMRT 采用连续的巨磁电阻多堆叠层，溅射在大面积的柔性箔片上，其尺寸可根据目标区域进行调整。例如，在实验室环境中，GMR 薄膜可扩大到 。通过光刻和溅射技术制备的 GMR 薄膜，为了能无缝集成到生物动态皮肤上，进行了穿孔处理。当受到外部磁场作用时，磁阻层的电阻会因自旋取向而显著降低。实验中，的 GMR 网格作为磁敏介质，与 16 个均匀分布在其周边的测量电极相连。通过向特定电极对施加电流，利用另一组电极检测与 GMR 薄膜电阻信息相关的电压。由于 GMR 层具有显著的磁阻响应（约 23%），注入电流可低至 1mA，大大降低了能耗，这对于可穿戴设备来说是一个巨大的优势。按照预定的测量模式对其余电极对进行相同测量，结合有限元分析，将电压数据流转换为离散近似图。当使用磁性手写笔（填充有 NdFeB 永磁体的机械铅笔）或类似输入设备产生磁刺激时，磁杂散场会导致磁感受器电阻局部下降。通过电阻层析成像重建算法，将扫描的电压数据重建为连续的电阻变化图，从而实现对整个表面电阻数据的无缝捕捉，全面了解电阻变化和潜在的磁相互作用。相比传统有源矩阵方法，该方法在区域实现低于 1mm 的空间分辨率且保持低功耗，而传统方法若要达到相同效果，需制造复杂的多层设备阵列，能耗会随传感面积呈二次方增长。实验对比表明，该磁感受器的能耗比基于矩阵的磁场传感器低近 500 倍，即使面积增加 9 倍，能耗仅增加 20% ，且连续运行数十分钟后温度波动可忽略不计。

在实现不可感知的电子皮肤方面，大面积电子皮肤若要无缝集成到人体皮肤上，不能损害皮肤的其他基本功能。传统有源矩阵传感需要复杂的多层电路和大量外部电极，而该研究的 EMRT 皮肤仅使用 16 个测量电极（甚至可减少到 8 个），相比之下，具有可比传感分辨率的传统有源矩阵传感则至少需要 140 个外部电极。这些额外的电线不仅会引入电磁噪声，还会损害电子皮肤的机械变形能力、视觉透明度和透气透液性，阻碍磁感受器作为电子皮肤的无缝集成。而基于 EMRT 的磁感受器布局简洁有序，有效解决了这些问题。GMR 薄膜通过光刻图案化为微米级网格，并对几何参数进行精细调整，在保持最佳磁敏性能的同时实现光学透明。选择约 20% 的填充因子，可使磁敏网格的透光率达到约 75%，同时面电阻约为 12 欧姆，100μm 的间距和 10μm 的线宽确保了电子皮肤的光学透明度。而且，改变填充因子对 GMR 网格的磁阻没有影响，保证了磁感受器在各种情况下的功能不受影响。该磁感受器的单层配置和可扩展电路设计使其易于集成到超柔性基板材料上，赋予其出色的机械变形能力。实验表明，即使弯曲半径小至 250μm，其电阻和磁阻仍保持稳定；在单轴拉伸高达 100%、双轴拉伸高达 75% 的情况下，依然能够正常工作。此外，由于采用网格布局和低填充因子，该磁感受器具有良好的透气透液性，其透气孔密度约为每平方厘米 10000 个，比人类皮肤毛孔密度高约 20 倍，几乎与无屏障材料一样透气，优于聚合物箔和普通医用胶带，这有助于提高佩戴舒适度，降低皮肤刺激等风险。

在扩展现实中实现对精细运动的无干扰感知方面，由于该磁感受器具有机械柔顺性、透气透液性、低能耗和高分辨率等特点，可舒适地佩戴在皮肤上，作为与各种电子设备进行手势信息精确传输的接口，在扩展现实领域具有巨大潜力。以虚拟现实（VR）为例，许多消费级 VR 产品依靠光学传感器来实现沉浸感，但光学传感器视野有限、空间分辨率低，难以捕捉精细运动并提供准确反馈。而基于 EMRT 的磁感受器能够检测功能区域附近的细微运动，并将其准确传输到虚拟环境中。实验中，参与者佩戴独立 VR 头盔和磁敏电子皮肤，通过手臂上的大面积磁感受器和手指上的小磁性皮肤，控制虚拟环境中蛋白质分子的方向。在这个过程中，磁感受器通过检测 x 和 y 空间坐标来感知磁刺激，进而控制虚拟物体在两个正交平面上的旋转，成功实现了在复杂手势情况下对精细运动的更平滑、准确的跟踪，相比传统光学跟踪方法有了显著提升。而且，该磁感受器能够准确读取和定位多通道磁电信号，为开发更先进的交互设备提供了支持，极大地增强了 XR 体验的沉浸感。此外，由于其对汗水、湿气和不透明物体等干扰具有磁免疫性，即使在传统皮肤传感系统受限的环境（如穿着衣服、在游泳池或雨天）中，也能正常工作，为用户提供了不间断且多样化的与数字世界交互的方式。

在用于增强现实中卫生交互的非接触式磁敏隐形眼镜方面，基于该磁感受器的光学透明和非接触交互等特性，研究人员开发了磁敏隐形眼镜。将柔性透明的磁敏网格附着在隐形眼镜上，既不影响其原有光学功能，又增加了复杂空间模式重建的能力，可作为与增强现实场景交互的输入设备。在实际应用中，当用户使用磁性物体（如手写笔）接近隐形眼镜时，可实现无接触式操作，如选择感兴趣区域、确认选择并进行数字缩放等功能。这种基于磁场的非接触操作模式有助于保持眼睛卫生，降低感染传播风险。例如，通过软件识别手写笔的特定位置，可实现图像 1 倍、2.5 倍和 5 倍的缩放。而且，磁性手写笔可被磁性皮肤替代，磁性皮肤可轻松附着在手指上，减少了磁性手写笔对视野的影响。未来，还需进一步实现磁敏隐形眼镜的无线通信功能。

研究人员通过结合巨磁电阻效应和电阻层析成像技术，开发了基于 EMRT 的磁感受器，实现了大面积、高分辨率且低能耗的磁场连续传感，解决了传统磁敏电子皮肤在实现大面积、高分辨率传感时面临的诸多难题。该技术赋予电子皮肤光学透明、机械柔顺和透气透液等特性，使其能够无缝集成到人体皮肤上，为电子皮肤在扩展现实、智能医疗和物联网等领域的应用开辟了新的道路。例如，在扩展现实中，它能够实现更精确的手势识别和交互，提升用户体验；对于残疾人群体，可有效扩展他们的感知范围，帮助盲人延伸感知距离，让佩戴假肢的人能够与智能手机等设备进行交互。从长远来看，结合先进的神经接口技术，磁敏电子皮肤甚至可能赋予人类感知磁场的能力，开启全新的磁感知时代，为未来科技发展带来无限可能。