新型仿生皮肤高效集成触痛感知

2024-06-28 17:31:45 来源：科技日报

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近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队研究员陈涛、肖鹏等人通过构建悬浮双层式传感结构，实现了仿生电子皮肤的触痛感知高效集成，为人机交互、智能假肢等领域的材料应用提供了新可能。相关论文发表于国际学术期刊《先进材料》。

“我们通过模仿人类的触觉—痛觉感知双模态机制，巧妙地设计了悬浮—三维形变—接触的感知结构，在实现超灵敏触觉感知的同时，又赋予柔性电子器件阈值可调控的痛觉感知功能，为仿生电子皮肤的触觉感知结构集成提供了新思路。”文章通讯作者之一、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员肖鹏表示。

可提升人机交互体验感

受人类皮肤功能和结构的启发，能够感知压力、应变、温度、湿度等不同外界刺激的传感器材料成为研究热点。仿生电子皮肤就是其中的一种。

“仿生电子皮肤可以将形变、温度等外部刺激转换为电信号，送达数据处理终端。”论文第一作者、中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士周伟对科技日报记者说，近年来，仿生电子皮肤日益受到关注，在机器人感知、智能假肢、医疗监测等领域展现出广阔的应用前景。

“仿生电子皮肤可以附着在机器人表面，赋予机器人触觉感知，既能提升机器人的操作能力，也能增强人机交互的体验感。这一材料也可以应用于假肢制造，帮助使用者感知压力、温度和振动等外界信息。当仿生电子皮肤贴附在人体表面时，还能实时获得心率、血压、体温等生理参数，连续、不间断地进行健康监测。”周伟说。

悬浮双层感知结构信息获取能力更强

为了模仿人类皮肤的感知能力，仿生电子皮肤材料既要保持灵敏度和柔韧性，也要保持稳定性和可靠性。

此项最新研究中，研究团队创新性地构建了一种悬浮双层感知结构材料，实现了由机械阈值介导的触痛感知高效集成。

“可以从材料组成和器件结构两个方面理解这一成果。”周伟告诉记者，在材料组成方面，研究团队采用石墨烯纳米片作为传感材料和电极材料，发挥其导电性和柔韧性强的优点，基于水—气界面组装策略，制备出石墨烯组装薄膜。

“再将石墨烯组装薄膜分别与超薄弹性体薄膜和微结构弹性基底结合在一起，能保证复合材料在触痛感知过程中的稳定性。”周伟说。

在器件结构方面，科研人员构建了悬浮双层结构。这一结构主要由上层的悬浮弹性薄膜和下层的微结构弹性基底组成。

“材料采用压阻式触觉传感技术。悬浮弹性薄膜的三维变形和机械接触响应行为，是实现触痛感知的关键。”周伟告诉记者，当弹性薄膜发生形变时，材料中的电流减小，从而产生触觉；当上层的悬浮弹性薄膜和下层基底发生机械接触时，材料中的电流会反向增大，即产生痛觉。

借助双层接触界面和电流的反向突变，仿生电子皮肤完成触觉向痛觉感知的动态转变。此次研究显示，这种悬浮双层结构能够分辨20微米的动态位移并识别低至0.02帕斯卡的触觉信息。

“即使在5200次接触—分离循环刺激下，材料也能保持稳定可靠的触痛响应性能，表现出高灵敏度和优异稳定性。”周伟说。

“通过引入痛觉信号，这种悬浮双层感知结构可以大大增强单一触觉传感器获取信息的能力，提高与环境的交互性能。”周伟介绍，团队在机械手表面附着该仿生电子皮肤进行了实验。结果显示，这可以实现对机械刺激的实时响应和自我保护，提高人机交互的安全性和效率。

技术创新推动仿生皮肤发展

在工业和信息化部印发的《人形机器人创新发展指导意见》中，重点产品和部组件攻关专栏提到“开发高分辨率和具有多点接触检测能力的仿人电子皮肤”。相关产业正处于从研发到产业化的关键时期，技术探索是未来产业突破瓶颈、蓬勃发展的重要前提和基础。

近年来，仿生材料作为材料学领域的重要研究内容，发展迅速，在材料技术、传感技术、系统集成等方面都取得了显著进展。

“碳纳米管、石墨烯和金属纳米线等一系列具有高导电性和机械柔韧性的材料能够在保持仿生电子皮肤柔软性和伸展性的同时，实现高效的电信号传输。纳米级传感器的应用使仿生电子皮肤能感知极其微小的压力和振动，提供精确的触觉感知。”周伟介绍，一些仿生电子皮肤集成了自供电系统，利用压电效应或摩擦电效应，实现了能量的自给自足。还有一些仿生电子皮肤集成了无线通信模块，能够实时将数据传输到外部设备。通过置入智能控制单元，仿生电子皮肤还可以处理和分析传感数据，执行更复杂的反馈控制任务。

从技术层面看，仿生电子皮肤已具备便携、智能、自我修复、多模态感知等特征。在周伟看来，提升传感器的耐久性、稳定性和生物兼容性是当前仿生电子皮肤研究的焦点。

“比如在高温、高湿和腐蚀性环境中，如何让材料保持稳定？如何实时且低功耗地进行信号处理和数据传输？应用于医疗和人机交互领域时，如何解决生物兼容的问题？通过不断的技术创新和多学科合作，仿生电子皮肤研究有望在未来克服这些难题，实现更广泛、深入的应用。”周伟说。