近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊研究員陳濤、肖鵬等人通過構(gòu)建懸浮雙層式傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了仿生電子皮膚的觸痛感知高效集成，為人機(jī)交互、智能假肢等領(lǐng)域的材料應(yīng)用提供了新可能。相關(guān)論文發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》。

“我們通過模仿人類的觸覺—痛覺感知雙模態(tài)機(jī)制，巧妙地設(shè)計了懸浮—三維形變—接觸的感知結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)超靈敏觸覺感知的同時，又賦予柔性電子器件閾值可調(diào)控的痛覺感知功能，為仿生電子皮膚的觸覺感知結(jié)構(gòu)集成提供了新思路�！蔽恼峦ㄓ嵶髡咧�一、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員肖鵬表示。

可提升人機(jī)交互體驗(yàn)感

受人類皮膚功能和結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，能夠感知壓力、應(yīng)變、溫度、濕度等不同外界刺激的傳感器材料成為研究熱點(diǎn)。仿生電子皮膚就是其中的一種。

“仿生電子皮膚可以將形變、溫度等外部刺激轉(zhuǎn)換為電信號，送達(dá)數(shù)據(jù)處理終端�！闭撐牡谝蛔髡�、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所博士周偉對科技日報記者說，近年來，仿生電子皮膚日益受到關(guān)注，在機(jī)器人感知、智能假肢、醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

“仿生電子皮膚可以附著在機(jī)器人表面，賦予機(jī)器人觸覺感知，既能提升機(jī)器人的操作能力，也能增強(qiáng)人機(jī)交互的體驗(yàn)感。這一材料也可以應(yīng)用于假肢制造，幫助使用者感知壓力、溫度和振動等外界信息。當(dāng)仿生電子皮膚貼附在人體表面時，還能實(shí)時獲得心率、血壓、體溫等生理參數(shù)，連續(xù)、不間斷地進(jìn)行健康監(jiān)測。”周偉說。

懸浮雙層感知結(jié)構(gòu)信息獲取能力更強(qiáng)

為了模仿人類皮膚的感知能力，仿生電子皮膚材料既要保持靈敏度和柔韌性，也要保持穩(wěn)定性和可靠性。

此項最新研究中，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種懸浮雙層感知結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械閾值介導(dǎo)的觸痛感知高效集成。

“可以從材料組成和器件結(jié)構(gòu)兩個方面理解這一成果�！敝軅ジ嬖V記者，在材料組成方面，研究團(tuán)隊采用石墨烯納米片作為傳感材料和電極材料，發(fā)揮其導(dǎo)電性和柔韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，基于水—?dú)饨缑娼M裝策略，制備出石墨烯組裝薄膜。

“再將石墨烯組裝薄膜分別與超薄彈性體薄膜和微結(jié)構(gòu)彈性基底結(jié)合在一起，能保證復(fù)合材料在觸痛感知過程中的穩(wěn)定性�！敝軅フf。

在器件結(jié)構(gòu)方面，科研人員構(gòu)建了懸浮雙層結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)主要由上層的懸浮彈性薄膜和下層的微結(jié)構(gòu)彈性基底組成。

“材料采用壓阻式觸覺傳感技術(shù)。懸浮彈性薄膜的三維變形和機(jī)械接觸響應(yīng)行為，是實(shí)現(xiàn)觸痛感知的關(guān)鍵�！敝軅ジ嬖V記者，當(dāng)彈性薄膜發(fā)生形變時，材料中的電流減小，從而產(chǎn)生觸覺；當(dāng)上層的懸浮彈性薄膜和下層基底發(fā)生機(jī)械接觸時，材料中的電流會反向增大，即產(chǎn)生痛覺。

借助雙層接觸界面和電流的反向突變，仿生電子皮膚完成觸覺向痛覺感知的動態(tài)轉(zhuǎn)變。此次研究顯示，這種懸浮雙層結(jié)構(gòu)能夠分辨20微米的動態(tài)位移并識別低至0.02帕斯卡的觸覺信息。

“即使在5200次接觸—分離循環(huán)刺激下，材料也能保持穩(wěn)定可靠的觸痛響應(yīng)性能，表現(xiàn)出高靈敏度和優(yōu)異穩(wěn)定性�！敝軅フf。

“通過引入痛覺信號，這種懸浮雙層感知結(jié)構(gòu)可以大大增強(qiáng)單一觸覺傳感器獲取信息的能力，提高與環(huán)境的交互性能�！敝軅ソ榻B，團(tuán)隊在機(jī)械手表面附著該仿生電子皮膚進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，這可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械刺激的實(shí)時響應(yīng)和自我保護(hù)，提高人機(jī)交互的安全性和效率。

技術(shù)創(chuàng)新推動仿生皮膚發(fā)展

在工業(yè)和信息化部印發(fā)的《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》中，重點(diǎn)產(chǎn)品和部組件攻關(guān)專欄提到“開發(fā)高分辨率和具有多點(diǎn)接觸檢測能力的仿人電子皮膚”。相關(guān)產(chǎn)業(yè)正處于從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵時期，技術(shù)探索是未來產(chǎn)業(yè)突破瓶頸、蓬勃發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)。

近年來，仿生材料作為材料學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，發(fā)展迅速，在材料技術(shù)、傳感技術(shù)、系統(tǒng)集成等方面都取得了顯著進(jìn)展。

“碳納米管、石墨烯和金屬納米線等一系列具有高導(dǎo)電性和機(jī)械柔韌性的材料能夠在保持仿生電子皮膚柔軟性和伸展性的同時，實(shí)現(xiàn)高效的電信號傳輸。納米級傳感器的應(yīng)用使仿生電子皮膚能感知極其微小的壓力和振動，提供精確的觸覺感知�！敝軅ソ榻B，一些仿生電子皮膚集成了自供電系統(tǒng)，利用壓電效應(yīng)或摩擦電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了能量的自給自足。還有一些仿生電子皮膚集成了無線通信模塊，能夠?qū)崟r將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。通過置入智能控制單元，仿生電子皮膚還可以處理和分析傳感數(shù)據(jù)，執(zhí)行更復(fù)雜的反饋控制任務(wù)。

從技術(shù)層面看，仿生電子皮膚已具備便攜、智能、自我修復(fù)、多模態(tài)感知等特征。在周偉看來，提升傳感器的耐久性、穩(wěn)定性和生物兼容性是當(dāng)前仿生電子皮膚研究的焦點(diǎn)。

“比如在高溫、高濕和腐蝕性環(huán)境中，如何讓材料保持穩(wěn)定？如何實(shí)時且低功耗地進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)傳輸？應(yīng)用于醫(yī)療和人機(jī)交互領(lǐng)域時，如何解決生物兼容的問題？通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和多學(xué)科合作，仿生電子皮膚研究有望在未來克服這些難題，實(shí)現(xiàn)更廣泛、深入的應(yīng)用�！敝軅フf。

（原載于《科技日報》 2024-06-28 第06版）