我國科學家研制出首款具仿生三維架構(gòu)的電子皮膚

清華大學航天航空學院、柔性電子技術(shù)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(gòu)的新型電子皮膚系統(tǒng)，可在物理層面實現(xiàn)對壓力、摩擦力和應變?nèi)N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。該成果日前在國際學術(shù)期刊《科學》雜志上發(fā)表。

張一慧介紹，皮膚之所以能敏銳感知力學信號，是因為其內(nèi)部有很多高密度排列且具有三維空間分布的觸覺感受細胞，能準確感知外界刺激。在電子皮膚研制中，要能同時識別和解碼壓力、摩擦力和應變信號，實現(xiàn)準確的觸覺感知，極具挑戰(zhàn)。

團隊首次提出具有三維架構(gòu)的電子皮膚設計概念，研制出的仿生三維電子皮膚由“表皮”“真皮”和“皮下組織”構(gòu)成，各部分質(zhì)地均與人體皮膚中的對應層相近。傳感器及電路在皮膚內(nèi)深淺分布，其中部分傳感器更靠近皮膚表面，對外部作用力高度敏感，分布于深處的傳感器則對皮膚變形更為敏感。

“比如我們一塊食指指尖大小的電子皮膚內(nèi)就擁有240個金屬傳感器，這些傳感器每個僅有兩三百微米，其空間分布上與人體皮膚中觸覺感受細胞的分布相近。”張一慧說，當電子皮膚觸摸外界物體時，其內(nèi)部眾多傳感器會協(xié)同工作。傳感器收集到的信號會經(jīng)過系列傳輸和提取處理，再結(jié)合深度學習算法，使電子皮膚能精確感知物體的軟硬和形狀。

“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(yī)療機器人指尖進行早期診療，還可像創(chuàng)可貼一樣貼在人的皮膚上實時監(jiān)測血氧、心率等健康數(shù)據(jù)。”張一慧認為，這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發(fā)和應用提供了新路徑，在工業(yè)機器人、生物檢測、生物醫(yī)療、人機交互等多方面具有廣闊應用前景。