研究人員提出了一種柔性可拉伸擴(kuò)展的多功能集成傳感器陣列

人體皮膚是活躍、敏感和高彈性的感覺器官，承擔(dān)著保護(hù)身體、排汗、溫度調(diào)節(jié)、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統(tǒng)能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器，將外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，經(jīng)過神經(jīng)通路傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能。基于皮膚這種多功能生物模型，科學(xué)家們開展了一門新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)（俗稱“電子皮膚”，Electronic skin, E-skin），用來模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環(huán)境中的各種物理、化學(xué)、生物等信號，將有助于開發(fā)新型人機(jī)接口、智能機(jī)器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)。此外，電子皮膚的重要發(fā)展趨勢是多功能化與多重刺激同步監(jiān)測。

近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導(dǎo)下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴(kuò)展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測能力擴(kuò)展到7種，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、紫外光、磁、應(yīng)變、壓力和接近等多種外界刺激的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測。研究人員通過微納加工技術(shù)，制備出大倍率（8倍及以上，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)）的聚酰亞胺（PI）拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中包括眾多傳感器節(jié)點(diǎn)和蜿蜒拉伸結(jié)構(gòu)。基于這種拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨(dú)立工作而不互相影響。利用基底的可拉伸性能，可實(shí)現(xiàn)電子皮膚的探測面積擴(kuò)張，為其進(jìn)一步的功能擴(kuò)展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。該研究將有助于開發(fā)新型人機(jī)接口、智能機(jī)器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)，多功能集成電子皮膚還可同步監(jiān)測周邊環(huán)境多種變量，用于人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域。