記者從清華大學(xué)獲悉，該校航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)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，可在物理層面實(shí)現(xiàn)對壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)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(shí)皮膚。相關(guān)研究成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。
復(fù)刻人類皮膚源于自然演化的高級感知功能，是電子皮膚、機(jī)器人等前沿科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)。然而目前，尚未有電子皮膚能夠復(fù)現(xiàn)人體皮膚中機(jī)械感受器的細(xì)微觀三維空間分布形式，進(jìn)而像皮膚一樣，在物理層面實(shí)現(xiàn)壓力、剪切力、應(yīng)變等多種機(jī)械信號的同步解耦感知。
據(jù)悉，這一新型電子皮膚受人類皮膚中機(jī)械感受器空間分布形式的啟發(fā)，其結(jié)構(gòu)中的力與應(yīng)變傳感器的三維分布，效仿了人類皮膚中梅克爾細(xì)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(yīng)變。與皮膚結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計為八臂籠狀結(jié)構(gòu)，傳感器位于籠狀結(jié)構(gòu)上部，更靠近電子皮膚表面，因而對外部作用力高度敏感；應(yīng)變傳感器位于器件底部的拱形結(jié)構(gòu)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(nèi)的拉伸應(yīng)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(gòu)的電子皮膚，結(jié)合深度機(jī)器學(xué)習(xí)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(jìn)觸覺系統(tǒng)，展示了其在判別食物新鮮程度等真實(shí)場景中的應(yīng)用。
“電子皮膚實(shí)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(jī)器人指尖進(jìn)行早期診療，還可像創(chuàng)可貼一樣貼在人的皮膚上實(shí)時監(jiān)測血氧等健康數(shù)據(jù)。”張一慧認(rèn)為，這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發(fā)和應(yīng)用提供了新路徑，在工業(yè)機(jī)器人、生物醫(yī)療、人機(jī)交互等多方面具有廣闊應(yīng)用前景。（記者 鄧暉）