低電壓的柔性電子皮膚體現(xiàn)的神經(jīng)形態(tài)感知-運(yùn)動回路

皮膚在人體中扮演著重要的角色，作為人體與外界的主要接口和保護(hù)層。它的感知能力和柔軟性使我們能夠感知外部刺激并在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)（圖1A）。然而，患有皮膚損傷或截肢的人可能會遇到感知和行動之間的困難。盡管假肢可以部分恢復(fù)運(yùn)動功能，但仍存在局限性，如幻肢疼痛和手指靈活性不足，需要整合感覺反饋和柔韌性來解決。為了實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)界面，研究人員努力賦予電子系統(tǒng)以人體皮膚的特性。

目前，已經(jīng)開發(fā)了復(fù)雜的硅電路來模擬外周神經(jīng)系統(tǒng)，在假肢和機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)類似皮膚的感知能力。然而，在一個單一的設(shè)備平臺上構(gòu)建集成的、柔性的電子皮膚仍然是一個挑戰(zhàn)。盡管柔性電子學(xué)和電路制造取得了進(jìn)展，但其應(yīng)用仍受限于用于互連線路的主動矩陣陣列和傳感器信號放大。神經(jīng)假肢的電子皮膚需要提供類似神經(jīng)的脈沖列信號模式，以實(shí)現(xiàn)自然感覺和調(diào)節(jié)運(yùn)動活動。雖然壓電、摩擦電和離子壓力傳感器可以生成類似尖峰列的信號模式，但生物感覺受體使用調(diào)頻信號編碼輸入幅度信息，需要信號數(shù)字化和調(diào)節(jié)電路以實(shí)現(xiàn)人工突觸，從而觸發(fā)身體運(yùn)動（圖1B）。

最近，來自斯坦福大學(xué)的Weichen Wang等人報(bào)道了一種單片集成、低電壓驅(qū)動的軟性電子皮膚系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有任何剛性電子組件，可以模擬生物皮膚的感覺反饋功能，包括多模式接收、類似神經(jīng)的脈沖列信號調(diào)節(jié)和閉環(huán)驅(qū)動（圖1C，D）。該系統(tǒng)采用了三層高介電常數(shù)（κ）、可伸縮介質(zhì)的設(shè)計(jì)，將可伸縮電路的驅(qū)動電壓降低到幾伏特，以實(shí)現(xiàn)安全高效的在體操作。這一創(chuàng)新有望為截肢患者提供更好的假肢感知和控制能力，推動人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展。

圖1 低電壓驅(qū)動的人造軟體電子皮膚系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生物仿生的雙向信號傳輸。

# 低電壓驅(qū)動、高性能、可拉伸的有機(jī)晶體管

現(xiàn)有的可伸縮有機(jī)電子仍需要高工作電壓，有著安全和能耗方面的問題。而降低驅(qū)動電壓需要增加?xùn)?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容，需要具有高介電常數(shù)的薄介電層(圖2Ai)。丁腈-丁二烯橡膠(NBR)是一個很有前途的候選材料，其介電常數(shù)高，可以在廣泛的頻率范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性(圖2B），這一特性對于晶體管和電路的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。研究人員開發(fā)了一種直接光圖案化方法(最小可達(dá)2μm)，采用紫外光誘導(dǎo)的疊氮交聯(lián)反應(yīng)。交聯(lián)的NBR具有耐溶劑性，然而測試表明晶體管的轉(zhuǎn)移曲線顯示出大的滯后和低遷移率，這可能是由于高極性丁腈基團(tuán)引起的半導(dǎo)體-介電界面處能級混亂。這種高κ值和高陷阱密度之間的權(quán)衡使得在可伸縮有機(jī)器件中實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動電壓和高載流子遷移率頗具挑戰(zhàn)性。

為了克服這個挑戰(zhàn)，研究人員接著開發(fā)了一種三層電介質(zhì)，通過用超薄的非極性聚(苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SEBS)彈性體涂層對高κ 的NBR進(jìn)行鈍化，隨后使用疏水性的十八烷基三甲氧基硅烷(OTS)進(jìn)行分子修飾(圖2A)。這種具有適當(dāng)表面能的介電堆疊在可伸縮半導(dǎo)體層能夠中誘導(dǎo)出理想的納米限制形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高載流子遷移率，與單層NBR電介質(zhì)相比，在三層設(shè)計(jì)中，載流子遷移率提高了約50倍，同時保持了低驅(qū)動電壓(圖2C)。為了量化界面陷阱密度，研究人員測量了各種電介質(zhì)設(shè)計(jì)的電荷傳輸?shù)幕罨?EA)。NBR-SEBS-OTS與直接旋涂半導(dǎo)體的組合顯示出最低的EA(圖 2D)。在SEBS和OTS層沉積后，擊穿電壓穩(wěn)定增加，表明針孔減少，這種三層電介質(zhì)同時實(shí)現(xiàn)了低工作電壓和高載流子遷移率(圖2E，F(xiàn))。

研究人員利用具有良好耐溶劑性和可圖案化性的高κ三層電介質(zhì)，取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展且無需轉(zhuǎn)移的低電壓驅(qū)動可伸縮晶體管陣列的制造(圖2Aii)。所得到的陣列顯示出可伸縮晶體管的特性，具有低柵漏電流、高遷移率高產(chǎn)率、高可伸縮性等優(yōu)點(diǎn)(圖2Aiii)。與先前報(bào)道的低κ可伸縮電介質(zhì)相比，高κ三層電介質(zhì)通過通道寬度歸一化的跨導(dǎo)(Gm/Wch)提高了10倍以上，且實(shí)現(xiàn)了與剛性多晶硅晶體管相當(dāng)亞閾值擺幅(圖2G)。晶體管性能關(guān)鍵指標(biāo)（驅(qū)動電壓、亞閾值擺幅、跨導(dǎo)、開關(guān)比和泄漏電流）的改進(jìn)使得我們的軟性晶體管可以以低功率運(yùn)行，其動態(tài)(1.7 pJ)和靜態(tài)(0.25 pW)功耗都比現(xiàn)有可伸縮晶體管低100倍左右(圖2H)。

圖2用于高性能和低電壓可拉伸有機(jī)晶體管和電路的高κ三層電介質(zhì)。

#用于產(chǎn)生仿神經(jīng)脈沖的信號調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)

研究人員通過優(yōu)化單個晶體管的特性，成功集成了能直接在皮膚上運(yùn)行的低電壓功能電路，實(shí)現(xiàn)了模擬生物皮膚感受器的感覺功能。他們開發(fā)了一個電路系統(tǒng)，其中包括傳感器、環(huán)形振蕩器(ROs)和邊緣檢測器(EDs)，以模擬自然感知過程中刺激信號的轉(zhuǎn)換和傳輸(圖3A-D)。為了解決頻率調(diào)諧的問題，他們引入了一種新的設(shè)計(jì)，將傳感器放置在感測反相器中，通過調(diào)整感測反相器的上拉充電電流，實(shí)現(xiàn)了幅度解耦的頻率調(diào)制，具有寬動態(tài)范圍和穩(wěn)定的振蕩幅度(圖3E-F）。

隨后，他們制造了多級RO用于區(qū)分來自多個傳感器的信息，這對于實(shí)現(xiàn)可伸縮的多模態(tài)感知能力具有重要意義。為了更好地模仿脈沖列的生物編碼過程，研究人員進(jìn)一步開發(fā)了ED電路來“重塑”RO輸出信號。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的延遲網(wǎng)絡(luò)和AND門，ED可以有效地捕獲輸入信號以生成穩(wěn)定的脈沖信號（圖3Gi）。然后，通過延遲網(wǎng)絡(luò)、AND門和相應(yīng)電路制造的最佳幾何設(shè)計(jì)，他們實(shí)現(xiàn)了一種可伸縮的ED，可以生成具有不同頻率的方波輸入的穩(wěn)定脈沖信號，其持續(xù)時間約為4ms，幅度約為5V（圖3G）。

基于以上研究，他們隨之開發(fā)了一個單片集成的柔性電子皮膚貼片，其驅(qū)動電壓小于±5 V（圖3B，C）。他們還將基于碳納米管的可伸縮壓力傳感器和三維金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜溫度傳感器集成到系統(tǒng)中，分別模擬自然機(jī)械感受器和溫度感受器（圖3H）。當(dāng)施加0-50 kPa的壓力或?qū)囟葟?2°C升至90°C時，脈沖列信號會生成并更快地響應(yīng)壓力和溫度刺激水平（圖3I，J）。整個電子皮膚電路由54個可伸縮晶體管組成，實(shí)現(xiàn)了可伸縮有機(jī)電子的中等規(guī)模集成（圖3C，K）。

圖3 用于生成仿生脈沖序列的低壓驅(qū)動軟電路系統(tǒng)。

# 用于觸發(fā)下游執(zhí)行動作的全固態(tài)人工突觸

自然感知反饋環(huán)路的一個特點(diǎn)是感知和行動之間的雙向信號通信。研究人員成功開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)雙向信號通信的固態(tài)離子突觸晶體管，以完成感知和行動之間的傳遞（圖4A，C）。為了解決將頻率編碼的傳感器信息轉(zhuǎn)換為不同身體動作水平的挑戰(zhàn)，研究人員引入了基于離子門控的突觸晶體管設(shè)計(jì)，具有類似生物突觸的工作機(jī)制（圖4B，D）。通過混合高離子導(dǎo)電性的離子導(dǎo)電彈性體（ICE）和單離子導(dǎo)電的聚電解質(zhì)（PiTFSI），他們開發(fā)了固態(tài)離子介質(zhì)（圖4B），并通過疊氮交聯(lián)劑對這種離子介質(zhì)進(jìn)行了圖案化處理，制造出了全固態(tài)可伸縮的突觸晶體管陣列，具有良好的均勻性（圖4E）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同頻率的突觸前脈沖輸入下，突觸后電流幅度發(fā)生了顯著變化，即1 Hz和100 Hz輸入之間的輸出差異約為4個數(shù)量級，而擴(kuò)展到800 Hz時輸出差異約為7個數(shù)量級（圖4D）。此外，經(jīng)過長時間在生理液體中浸泡后（8小時），全固態(tài)人工突觸的突觸后電流變化較小，而含有小分子離子液體的突觸則喪失了約98.2%的輸出電流（圖4F，G）。

圖4 基于輸入門頻率的全固態(tài)軟人工突觸，用于驅(qū)動下游身體運(yùn)動。

# 通過單片柔性電子皮膚演示感知-運(yùn)動回路

經(jīng)過在小鼠模型中的測試，全固態(tài)人工突觸的皮膚感知-肌肉激活回路在生物學(xué)上具有實(shí)用性（圖5A-C）。首先，研究人員將柔性電子皮膚與小鼠的體感皮層連接起來以模擬皮膚感知，并期望觸發(fā)運(yùn)動皮層的反饋響應(yīng)。隨后，通過人工突觸傳遞觸發(fā)的運(yùn)動信號，刺激坐骨神經(jīng)實(shí)現(xiàn)下游肌肉激活，從而完成人工感知-運(yùn)動回路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳感器受到不同大小的力量作用時，體感皮層的數(shù)字化輸入能夠成功地在運(yùn)動皮層引發(fā)反應(yīng)（圖5D，E）。經(jīng)過進(jìn)一步放大和信號處理后，利用記錄的觸發(fā)信號作為突觸晶體管的門控輸入，觀察到突觸后電流的幅度與施加的壓力成比例。與自然感知反饋過程類似，更強(qiáng)的力量刺激引起雙向電子皮膚系統(tǒng)產(chǎn)生更大的腿部抽搐角度，這與增加的壓力輸入相對應(yīng)（圖5F，G）。這些結(jié)果證明了人工電子皮膚在神經(jīng)假肢中應(yīng)用的潛在可行性。此外，該電子皮膚貼片在實(shí)驗(yàn)鼠皮膚上貼附了30小時，未觀察到皮膚刺激性反應(yīng)。

圖5 用于人工感知-肌動循環(huán)的低電壓驅(qū)動柔性電子皮膚系統(tǒng)。

綜上所述，我們的皮膚為我們的身體提供了一層保護(hù)層，但它也能提供詳細(xì)的感官反饋和與周圍環(huán)境的柔軟互動。研究人員通過合理的材料設(shè)計(jì)和器件工程，實(shí)現(xiàn)了一個單體集成的柔性電子皮膚系統(tǒng)，無需剛性電子組件且具有低驅(qū)動電壓、高電路復(fù)雜性和仿生感知反饋功能。這種神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)將皮膚的所有所需電學(xué)和機(jī)械特性結(jié)合在一個單一的設(shè)備平臺上，這一進(jìn)展將有助于為發(fā)展下一代假肢皮膚、人機(jī)界面和神經(jīng)機(jī)器人奠定道路。

審核編輯：劉清