編輯總結
默克爾細胞和魯菲尼終末分別位于人體皮膚的表皮底部和真皮內，能夠感知外力和皮膚的拉伸。劉等人設計、制造并使用人工智能引導的信號處理技術，開發出一種模仿人體機械感知的電子皮膚。這種電子皮膚通過壓力和應變傳感器的三維配置及異質封裝策略，實現了對正常或剪切力及引發應變的區分。作者展示了這種電子皮膚的應用，例如通過觸覺敏感檢測物體模量的變化來測量水果、蛋糕和面包等食品的新鮮程度。—Marc S. Lavine
研究背景
隨著現代科技的發展，仿生電子皮膚因其在機器人、假肢和智能觸覺系統等領域的廣泛應用前景，引起了科學家的廣泛關注。電子皮膚是一種能夠模仿人類皮膚感知能力的智能材料系統，能夠感知外部環境的機械刺激，并將這些刺激轉化為電信號，從而實現對環境的探測和交互。盡管已經有許多電子皮膚的研究和開發，但要實現與人類皮膚相當的感知能力，尤其是對不同力（如正常力和剪切力）和應變的分離感知，仍然是一個巨大的挑戰。人類皮膚的機械感知能力主要源自皮膚中機械感受器的傳導，這些感受器將外力轉化為電信號，傳導至中樞神經系統。默克爾細胞和魯菲尼終末是兩種關鍵的機械感受器，分別位于表皮底部和真皮內。默克爾細胞對皮膚表面施加的力高度敏感，因為它們與真皮中的膠原纖維網絡相連，距離皮膚表面非常近；魯菲尼終末則分布在更深層次，對皮膚的拉伸和剪切力更敏感。模仿這些感受器的三維空間分布，可以顯著提升電子皮膚對外力和應變的分離感知能力。然而，實現這種復雜的三維電子設備，并精確控制其傳感組件的三維分布，是當前研究中的一個難題。 為了攻克這一難題，清華大學張一慧教授課題組設計并制造了一種三維結構的仿生電子皮膚（3DAE-Skin）。這種電子皮膚采用多層結構，其力和應變感應組件按照類似于人體皮膚中默克爾細胞和魯菲尼終末的三維布局排列。研究團隊利用微制造技術，形成了由層壓力和應變感應陣列組成的多層電子設備，通過精確控制的機械組裝，轉化為仿生三維配置。此外，研究團隊還采用了異質封裝策略，確保力和應變感應組件周圍的軟材料具有與皮膚中機械感受器相似的機械性能。相關成果在“Science”期刊上發表了題為“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”的最新論文。實驗和理論研究表明，3DAE-Skin在分離感知正常力、剪切力和應變方面表現出色。研究團隊開發的基于3DAE-Skin的觸覺系統，結合數據采集電路和深度學習輔助信號處理模塊，能夠通過簡單的觸摸同時測量物體的彈性模量和局部主曲率成分。這一系統的實際應用展示包括對不同形狀和新鮮度的水果、面包和蛋糕進行快速模量測量。
研究內容
圖1中通過生物啟發設計，3DAE-Skin被構建為三層結構，類似于人體皮膚的“表皮”、“真皮”和“皮下組織”。該電子皮膚的感知組件和相關電路主要嵌入在“真皮”層中，并通過數據采集和深度學習輔助信號處理模塊進行信號的收集和處理，類似于中樞神經系統的功能。在圖1B和C中，展示了3DAE-Skin的幾何布局和其代表性功能單元。通過微制造技術，制備出具有多層結構的電子設備，其中包括力和應變感應組件，以及多層聚酰亞胺（PI）層。采用轉移印刷和機械引導裝配技術，將這些二維電子設備轉化為期望的三維結構，使其能夠與彈性基板兼容。通過引入異質封裝策略，利用毛細作用力填充內部區域，并在真皮層的其他區域填充相對軟的材料，使3DAE-Skin具有類似皮膚的機械性能。圖1D到H提供了制造的3DAE-Skin的光學圖像，展示了其功能單元、力/應變傳感器和垂直互連接入孔的放大視圖。通過封裝，使得3DAE-Skin具有良好的柔軟性和可伸縮性，能夠與假體手指端相容地集成。因此，通過這些設計和制造步驟，成功開發了具有仿生結構和功能的3DAE-Skin，為人工智能和機器人技術的發展提供了重要的技術基礎。 為了實現電子皮膚對正常和剪切力的解耦感知，并能有效地感知應變，研究人員設計了3DAE-Skin，并進行了相關實驗以驗證其性能。圖2A展示了功能單元在正常/剪切力和雙軸拉伸作用下的加載情況。通過靜態平衡分析，可以明確地將力組分與八個傳感器的相對電阻變化聯系起來。優化了傳感器的位置和材料，確保了力傳感器的高靈敏度和大線性范圍。圖2B和C展示了3DAE-Skin在壓力加載、快速卸載和循環加載/卸載過程中的穩定且可靠的性能。在剪切力加載方面，圖2D和E證明了3DAE-Skin對不同方向和大小的剪切力能夠準確感知，并提供了一種解耦的方法。圖2F展示了在單軸拉伸下3DAE-Skin的應變傳感性能，證明其可靠性和穩定性。圖2G和H展示了在壓力和拉伸作用下3DAE-Skin中誘導的最大主應變的分布情況，說明了其解耦感知的機制。實驗結果進一步驗證了3DAE-Skin能夠準確感知不同類型的機械加載，并為開發更先進的電子皮膚技術提供了重要參考。 為了實現正常/剪切力和應變的時空映射，研究人員將3DAE-Skin與數據采集電路和信號處理模塊集成成觸覺系統。數據采集電路能夠單獨尋址每個壓阻傳感器，實現無交叉干擾的信號采集。信號處理模塊根據240個傳感器的相對電阻變化量，實現對正常/剪切力和應變的時空分布可視化，并通過深度學習神經網絡模型進行量化解析。圖3展示了3DAE-Skin在觸摸三個3D打印凸起結構時的實驗結果。圖中D展示了中心區域9個單元的壓力和剪切力分量的時間歷史記錄，以及相鄰12個單元的應變響應；E至G展示了三個典型時刻的正常/剪切力和應變的時空分布情況。結果表明，3DAE-Skin能夠準確感知和記錄外部力的變化，為仿生智能皮膚和機器人技術的發展提供了重要基礎。 此外，3DAE-Skin觸覺系統還實現了超分辨率感知，通過DNN模型建立了正常力位置和大小與壓阻傳感器相對電阻變化之間的映射關系。實驗結果顯示，在加載位置預測中，使用DNN模型的預測精度明顯提高，根均方誤差大幅降低。這種超分辨率感知為3DAE-Skin在解耦正常力、剪切力和應變的感知方面提供了重要支持，相較于其他電子皮膚，其性能和能力得到了顯著提升。 圖3. 使用基于 3D電子皮膚 的觸覺系統繪制力和應變的時空圖。為了實現對物體的彈性模量和主曲率分量的定量測量，作者開發了一種基于3DAE-Skin的觸覺系統（見圖4）。該系統通過結合數據采集電路和信號處理模塊，能夠對240個壓阻傳感器的相對電阻變化進行個體化處理，從而實現對正常/剪切力和應變的時空分布的可視化。作者還開發了一個深度學習神經網絡（DNN）模型，將彈性模量和主曲率分量與壓阻傳感器的相對電阻變化相關聯，從而能夠在不知道物體形狀的情況下來預測物體的彈性模量。 實驗結果表明，在測試范圍內，系統能夠對不同形狀的物體的彈性模量進行合理準確的預測。此外，通過觸摸水果和面包等不同材質的食物，該系統還能夠快速測量食物的成熟度或新鮮度。這一技術為仿生手的應用提供了潛在的解決方案，同時也為食品品質檢測提供了新的途徑。
總結展望
本文展示了基于生物啟發的設計理念和先進的微加工技術相結合的成果。通過模仿人類皮膚的結構和感知機制，研究人員成功地開發出了一種新型的多功能電子皮膚——3DAE-Skin。這種電子皮膚具有高度仿生性，能夠實現對正/剪力和拉伸應變的解耦感知，同時具備與人類皮膚相當的空間分辨率和準確度。此外，3DAE-Skin還能夠通過簡單的觸摸實現對物體模量和曲率的定量測量，為實時感知物體特性提供了新的途徑。這項研究不僅推動了電子皮膚技術的發展，還為智能假肢、人機交互系統以及自動檢測設備等領域的應用提供了新的可能性。通過將生物學與工程學相結合，本研究展示了生物啟發設計在解決現實世界問題中的巨大潛力，為未來的仿生電子系統和智能裝置的發展提供了寶貴的科學價值。Zhi Liu et al. ,A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation.Science384,987-994(2024).DOI:10.1126/science.adk5556
