我國(guó)科學(xué)家研制出首款具仿生三維架構(gòu)的電子皮膚
清華大學(xué)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(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、摩擦力和應(yīng)變?nèi)N力學(xué)信號(hào)的同步解碼和感知，對(duì)壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米，接近于真實(shí)皮膚。該成果日前在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上發(fā)表。
圖為裝有仿生三維電子皮膚的機(jī)械手與人手互動(dòng)。（受訪者供圖）
張一慧介紹，皮膚之所以能敏銳感知力學(xué)信號(hào)，是因?yàn)槠鋬?nèi)部有很多高密度排列且具有三維空間分布的觸覺(jué)感受細(xì)胞，能準(zhǔn)確感知外界刺激。在電子皮膚研制中，要能同時(shí)識(shí)別和解碼壓力、摩擦力和應(yīng)變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的觸覺(jué)感知，極具挑戰(zhàn)。
團(tuán)隊(duì)首次提出具有三維架構(gòu)的電子皮膚設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(duì)外部作用力高度敏感，分布于深處的傳感器則對(duì)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(gè)金屬傳感器，這些傳感器每個(gè)僅有兩三百微米，其空間分布上與人體皮膚中觸覺(jué)感受細(xì)胞的分布相近?！睆堃换壅f(shuō)，當(dāng)電子皮膚觸摸外界物體時(shí)，其內(nèi)部眾多傳感器會(huì)協(xié)同工作。傳感器收集到的信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)系列傳輸和提取處理，再結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，使電子皮膚能精確感知物體的軟硬和形狀。
圖為仿生三維電子皮膚在觸摸檸檬感知其軟硬程度。（受訪者供圖）
“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(lái)可裝于醫(yī)療機(jī)器人指尖進(jìn)行早期診療，還可像創(chuàng)口貼一樣貼在人的皮膚上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血氧、心率等健康數(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、生物檢測(cè)、生物醫(yī)療、人機(jī)交互等多方面具有廣闊應(yīng)用前景。
