清華大學(xué)柔性傳感器最新成果登《Science》！獲新華社等權(quán)威媒體報(bào)道！

6月5日，新華社以《祝賀我國(guó)科學(xué)家！》為標(biāo)題報(bào)道，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。

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。

“電子皮膚實(shí)際上是模仿人類(lèi)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)?！睆堃换壅J(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。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（柔電國(guó)重）張一慧教授課題組提出了一種具有三維架構(gòu)的新型電子皮膚設(shè)計(jì)概念，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(lèi)皮膚中梅克爾細(xì)胞（Merkel）和魯菲尼氏小體（Ruffini）的空間分布形式，使該器件能夠從物理層面解耦地測(cè)量壓力、剪切力和應(yīng)變（圖1）。與皮膚結(jié)構(gòu)類(lèi)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(duì)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(jì)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(duì)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(duì)面內(nèi)的拉伸應(yīng)變敏感，幾乎不會(huì)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(guò)觸摸便可同時(shí)測(cè)量物體模量及局部主曲率的先進(jìn)觸覺(jué)系統(tǒng)（圖2），展示了其在判別食物新鮮程度等真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用，并深入探討了其在物理量定量測(cè)量（如摩擦系數(shù)等）、人機(jī)交互等重要領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

5月30日，相關(guān)研究成果以“仿人類(lèi)皮膚機(jī)械感知功能的三維架構(gòu)電子皮膚”（A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation）為題，在《科學(xué)》（Science）發(fā)表。 張一慧為論文通訊作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級(jí)博士生劉志、2021級(jí)博士生胡笑男和柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室副研究員柏韌恒（航院已出站博士后）為論文共同第一作者。論文作者還包括航天航空學(xué)院2023級(jí)博士生羊佑舟、2020級(jí)博士生徐世威、2019級(jí)博士生沈張明、2017級(jí)博士生程旭（現(xiàn)為南洋理工大學(xué)博士后），以及航天航空學(xué)院博士后龐文博、劉卿、王月皎、王書(shū)恒。研究得到科學(xué)探索獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目與創(chuàng)新群體項(xiàng)目等的資助。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

審核編輯 黃宇