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人體皮膚對(duì)機(jī)械刺激的感知源于機(jī)械感受器的轉(zhuǎn)導(dǎo)，其能夠?qū)⑼饬D(zhuǎn)化為電信號(hào)。盡管模仿這些機(jī)械感受器的空間分布可以開(kāi)發(fā)能夠解耦法向/剪切力和應(yīng)變的電子皮膚，但它仍然難以捉摸。

在此，清華大學(xué)張一慧教授等人報(bào)道了一種三維（3D）架構(gòu)的電子皮膚（表示為3DAE-Skin），其力和應(yīng)變傳感組件以3D布局排列，模仿人類(lèi)皮膚中的Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢。其中，該3DAE-Skin在法向力、剪切力和應(yīng)變方面表現(xiàn)出出色的解耦傳感性能，并能夠開(kāi)發(fā)一種觸覺(jué)系統(tǒng)，用于通過(guò)觸摸同時(shí)測(cè)量物體的模量/曲率。進(jìn)一步演示也展示了包括對(duì)具有不同形狀和新鮮度的水果、面包和蛋糕進(jìn)行快速模量測(cè)量。

相關(guān)文章以“A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation”為題發(fā)表在Science上。

由于皮膚對(duì)多模態(tài)機(jī)械刺激的解耦感知能力以及大腦對(duì)感知信號(hào)的學(xué)習(xí)和處理能力，人類(lèi)可以完成靈巧的操作、環(huán)境探索和對(duì)觸摸物體物理特性的感知，以及其他觸覺(jué)任務(wù)。生物學(xué)研究表明，人類(lèi)皮膚對(duì)機(jī)械刺激的感覺(jué)源于皮膚中機(jī)械感受器的轉(zhuǎn)導(dǎo)，它將施加在皮膚上的力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)軸突傳播到中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）。Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢是兩種緩慢適應(yīng)的機(jī)械感受器，它們分別位于表皮底部和真皮內(nèi)，在三維（3D）空間中具有密集分布的陣列。由于由真皮中的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)支持的Merkel細(xì)胞非?？拷つw表面，因此當(dāng)誘導(dǎo)應(yīng)力從加載區(qū)域迅速衰減時(shí)，它們對(duì)施加在皮膚上的力高度敏感。與Merkel細(xì)胞相比，Ruffini末梢分布在離皮膚表面更遠(yuǎn)的地方，因此即使皮膚本身被拉伸，對(duì)外力（例如壓力）也不那么敏感。?由于機(jī)械感受器的這種3D分布，Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢可以分別有效地感知外力和皮膚的應(yīng)變。

模仿上述皮膚中機(jī)械感受器的空間分布可以開(kāi)發(fā)能夠解耦法向/剪切力和應(yīng)變的人造電子皮膚，但由于難以實(shí)現(xiàn)具有良好控制的傳感組件的3D電子設(shè)備，因此仍然極具挑戰(zhàn)性。盡管已經(jīng)報(bào)道了許多鼓舞人心和令人興奮的電子皮膚發(fā)展，例如表皮電子學(xué)，神經(jīng)形態(tài)皮膚電子系統(tǒng)，皮膚集成電子系統(tǒng)，具有本質(zhì)可拉伸電子元件的電子皮膚和用于多參數(shù)傳感和觸覺(jué)接口的電子皮膚，但它們都沒(méi)有模仿機(jī)械感受器的3D空間分布。此外，在接近人體皮膚的空間分辨率下，法向力、剪切力和拉伸應(yīng)變的解耦測(cè)量也仍然難以捉摸。

基于此，作者采用類(lèi)似皮膚的多層結(jié)構(gòu)，報(bào)道了一種仿生設(shè)計(jì)的3D架構(gòu)電子皮膚（表示為 3DAE-Skin），其中力和應(yīng)變傳感組件以3D布局排列，模仿皮膚中的Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢（圖1A）。

圖1.3DAE-Skin的生物靈感設(shè)計(jì)和制備過(guò)程。

同時(shí)，微納加工技術(shù)能夠形成由層壓力和應(yīng)變傳感陣列組成的多層電子設(shè)備，通過(guò)精確控制的機(jī)械組裝將其轉(zhuǎn)換為仿生3D配置。3D架構(gòu)設(shè)備的異構(gòu)封裝策略確保周?chē)牧蛻?yīng)變傳感組件的軟材料，具有與皮膚中Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢相似的機(jī)械性能。此外，3DAE-Skin的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，在法向力、剪切力和應(yīng)變方面具有優(yōu)異的解耦傳感性能。

圖2. 3DAESkin的解耦傳感機(jī)制和性能。

圖3：使用基于3DAESkin的觸覺(jué)系統(tǒng)力和應(yīng)變的時(shí)空映射。

此外，實(shí)時(shí)定量評(píng)估接觸狀態(tài)和物體信息的功能對(duì)人機(jī)交互、仿人機(jī)器人、智能假肢和自動(dòng)檢測(cè)儀器也有重要意義。例如，通過(guò)測(cè)量設(shè)備與不同目標(biāo)物體之間的摩擦系數(shù)，3DAE-Skin 系統(tǒng)可以區(qū)分粗糙表面和光滑表面。盡管所展示的3DAE-Skin是為模仿指尖感知而開(kāi)發(fā)的，但其設(shè)計(jì)和制造方法是可擴(kuò)展的，可擴(kuò)展用于其他類(lèi)型的假肢/機(jī)器人系統(tǒng)。更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步提高3DAE皮膚的細(xì)胞密度，可以通過(guò)減少二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)尺寸和增加三維裝配中使用的雙軸預(yù)應(yīng)變幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這往往受限于光刻技術(shù)的分辨率。

圖4：彈性模量和主曲率分量的同時(shí)定量測(cè)量

綜上所述，本文基于受生物啟發(fā)的三維架構(gòu)設(shè)計(jì)、異質(zhì)封裝策略和微加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)出的3DAE-Skin通過(guò)模仿人體皮膚中Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢的空間排列，實(shí)現(xiàn)了皮膚的多層幾何/機(jī)械特性。具體來(lái)說(shuō)，這種受生物啟發(fā)的設(shè)計(jì)利用了力和應(yīng)變傳感組件的三維分布，以及E-Skin中的剛度變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)法向/剪切力和拉伸應(yīng)變的解耦感知。同時(shí)，將3DAE-Skin與深度學(xué)習(xí)算法輔助的數(shù)據(jù)采集/處理模塊集成，可以開(kāi)發(fā)出一種能夠具有與人類(lèi)皮膚相當(dāng)?shù)目臻g分辨率的法向/剪切力感知的觸覺(jué)系統(tǒng)，以及通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸物體同時(shí)測(cè)量模量和曲率。最后，本文開(kāi)發(fā)了一種基于3DAE-Skin的觸覺(jué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路和深度學(xué)習(xí)輔助信號(hào)處理模塊，只需輕輕一按即可同時(shí)測(cè)量物體的彈性模量和局部主曲率分量。

Zhi Liu?, Xiaonan Hu?, Renheng Bo?, Youzhou Yang, Xu Cheng, Wenbo Pang, Qing Liu, Yuejiao Wang, Shuheng Wang, Shiwei Xu, Zhangming Shen, Yihui Zhang*, A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

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