仿人類三維電子皮膚問世

記者從清華大學獲悉，該校航天航空學院、柔性電子技術實驗室張一慧教授課題組在國際上首次研制出具有仿生三維架構的新型電子皮膚，可在物理層面實現對壓力、摩擦力和應變三種力學信號的同步解碼和感知，對壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米，接近于真實皮膚。相關研究成果日前在國際學術期刊《科學》發表。

  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。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。

  據悉，這一新型電子皮膚受人類皮膚中機械感受器空間分布形式的啟發，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和魯菲尼氏小體的空間分布形式，使該器件能夠從物理層面解耦地測量壓力、剪切力和應變。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，展示了其在判別食物新鮮程度等真實場景中的應用。

  “電子皮膚實際上是模仿人類皮膚感知功能的一種新型傳感器，未來可裝于醫療機器人指尖進行早期診療，還可像創可貼一樣貼在人的皮膚上實時監測血氧等健康數據。”張一慧認為，這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發和應用提供了新路徑，在工業機器人、生物醫療、人機交互等多方面具有廣闊應用前景。

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