仿人类三维电子皮肤问世

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  本报北京6月5日电 记者邓晖从清华大学获悉，该校航天航空学院、柔性电子技术实验室张一慧教授课题组在国际上首次研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤，可在物理层面实现对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知，对压力位置的感知分辨率约为0.1毫米，接近于真实皮肤。相关研究成果日前在国际学术期刊《科学》发表。

  复刻人类皮肤源于自然演化的高级感知功能，是电子皮肤、机器人等前沿科学技术领域长期追求的目标。然而目前，尚未有电子皮肤能够复现人体皮肤中机械感受器的细微观三维空间分布形式，进而像皮肤一样，在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解耦感知。

  据悉，这一新型电子皮肤受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，其结构中的力与应变传感器的三维分布，效仿了人类皮肤中梅克尔细胞和鲁菲尼氏小体的空间分布形式，使该器件能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变。与皮肤结构类似，该三维电子皮肤也由“表皮”“真皮”和“皮下组织”组成，且各层的有效模量与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路主要位于“真皮”层中，其中力传感单元设计为八臂笼状结构，传感器位于笼状结构上部，更靠近电子皮肤表面，因而对外部作用力高度敏感；应变传感器位于器件底部的拱形结构上，在垂直高度上与力传感单元上部的传感器保持一定的距离，因此只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。

  课题组基于这种具有三维架构的电子皮肤，结合深度机器学习算法，研制出只需通过触摸便可同时测量物体模量及局部主曲率的先进触觉系统，展示了其在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用。

  “电子皮肤实际上是模仿人类皮肤感知功能的一种新型传感器，未来可装于医疗机器人指尖进行早期诊疗，还可像创可贴一样贴在人的皮肤上实时监测血氧等健康数据。”张一慧认为，这款仿生三维电子皮肤为电子皮肤的研发和应用提供了新路径，在工业机器人、生物医疗、人机交互等多方面具有广阔应用前景。