近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤、肖鵬等人通過構建懸浮雙層式傳感結構，實現了仿生電子皮膚的觸痛感知高效集成，為人機交互、智能假肢等領域的材料應用提供了新可能。相關論文發表于國際學術期刊《先進材料》。
“我們通過模仿人類的觸覺—痛覺感知雙模態機制，巧妙地設計了懸浮—三維形變—接觸的感知結構，在實現超靈敏觸覺感知的同時，又賦予柔性電子器件閾值可調控的痛覺感知功能，為仿生電子皮膚的觸覺感知結構集成提供了新思路。”文章通訊作者之一、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員肖鵬表示。
可提升人機交互體驗感
受人類皮膚功能和結構的啟發，能夠感知壓力、應變、溫度、濕度等不同外界刺激的傳感器材料成為研究熱點。仿生電子皮膚就是其中的一種。
“仿生電子皮膚可以將形變、溫度等外部刺激轉換為電信號，送達數據處理終端。”論文第一作者、中國科學院寧波材料技術與工程研究所博士周偉對科技日報記者說，近年來，仿生電子皮膚日益受到關注，在機器人感知、智能假肢、醫療監測等領域展現出廣闊的應用前景。
“仿生電子皮膚可以附著在機器人表面，賦予機器人觸覺感知，既能提升機器人的操作能力，也能增強人機交互的體驗感。這一材料也可以應用于假肢制造，幫助使用者感知壓力、溫度和振動等外界信息。當仿生電子皮膚貼附在人體表面時，還能實時獲得心率、血壓、體溫等生理參數，連續、不間斷地進行健康監測。”周偉說。
懸浮雙層感知結構信息獲取能力更強
為了模仿人類皮膚的感知能力，仿生電子皮膚材料既要保持靈敏度和柔韌性，也要保持穩定性和可靠性。
此項最新研究中，研究團隊創新性地構建了一種懸浮雙層感知結構材料，實現了由機械閾值介導的觸痛感知高效集成。
“可以從材料組成和器件結構兩個方面理解這一成果。”周偉告訴記者，在材料組成方面，研究團隊采用石墨烯納米片作為傳感材料和電極材料，發揮其導電性和柔韌性強的優點，基于水—氣界面組裝策略，制備出石墨烯組裝薄膜。
“再將石墨烯組裝薄膜分別與超薄彈性體薄膜和微結構彈性基底結合在一起，能保證復合材料在觸痛感知過程中的穩定性。”周偉說。
在器件結構方面，科研人員構建了懸浮雙層結構。這一結構主要由上層的懸浮彈性薄膜和下層的微結構彈性基底組成。
“材料采用壓阻式觸覺傳感技術。懸浮彈性薄膜的三維變形和機械接觸響應行為，是實現觸痛感知的關鍵。”周偉告訴記者，當彈性薄膜發生形變時，材料中的電流減小，從而產生觸覺；當上層的懸浮彈性薄膜和下層基底發生機械接觸時，材料中的電流會反向增大，即產生痛覺。
借助雙層接觸界面和電流的反向突變，仿生電子皮膚完成觸覺向痛覺感知的動態轉變。此次研究顯示，這種懸浮雙層結構能夠分辨20微米的動態位移并識別低至0.02帕斯卡的觸覺信息。
“即使在5200次接觸—分離循環刺激下，材料也能保持穩定可靠的觸痛響應性能，表現出高靈敏度和優異穩定性。”周偉說。
“通過引入痛覺信號，這種懸浮雙層感知結構可以大大增強單一觸覺傳感器獲取信息的能力，提高與環境的交互性能。”周偉介紹，團隊在機械手表面附著該仿生電子皮膚進行了實驗。結果顯示，這可以實現對機械刺激的實時響應和自我保護，提高人機交互的安全性和效率。
技術創新推動仿生皮膚發展
在工業和信息化部印發的《人形機器人創新發展指導意見》中，重點產品和部組件攻關專欄提到“開發高分辨率和具有多點接觸檢測能力的仿人電子皮膚”。相關產業正處于從研發到產業化的關鍵時期，技術探索是未來產業突破瓶頸、蓬勃發展的重要前提和基礎。
近年來，仿生材料作為材料學領域的重要研究內容，發展迅速，在材料技術、傳感技術、系統集成等方面都取得了顯著進展。
“碳納米管、石墨烯和金屬納米線等一系列具有高導電性和機械柔韌性的材料能夠在保持仿生電子皮膚柔軟性和伸展性的同時，實現高效的電信號傳輸。納米級傳感器的應用使仿生電子皮膚能感知極其微小的壓力和振動，提供精確的觸覺感知。”周偉介紹，一些仿生電子皮膚集成了自供電系統，利用壓電效應或摩擦電效應，實現了能量的自給自足。還有一些仿生電子皮膚集成了無線通信模塊，能夠實時將數據傳輸到外部設備。通過置入智能控制單元，仿生電子皮膚還可以處理和分析傳感數據，執行更復雜的反饋控制任務。
從技術層面看，仿生電子皮膚已具備便攜、智能、自我修復、多模態感知等特征。在周偉看來，提升傳感器的耐久性、穩定性和生物兼容性是當前仿生電子皮膚研究的焦點。
“比如在高溫、高濕和腐蝕性環境中，如何讓材料保持穩定？如何實時且低功耗地進行信號處理和數據傳輸？應用于醫療和人機交互領域時，如何解決生物兼容的問題？通過不斷的技術創新和多學科合作，仿生電子皮膚研究有望在未來克服這些難題，實現更廣泛、深入的應用。”周偉說。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤、肖鵬等人通過構建懸浮雙層式傳感結構，實現了仿生電子皮膚的觸痛感知高效集成，為人機交互、智能假肢等領域的材料應用提供了新可能。相關論文發表于國際學術期刊《先進材料》。
“我們通過模仿人類的觸覺—痛覺感知雙模態機制，巧妙地設計了懸浮—三維形變—接觸的感知結構，在實現超靈敏觸覺感知的同時，又賦予柔性電子器件閾值可調控的痛覺感知功能，為仿生電子皮膚的觸覺感知結構集成提供了新思路。”文章通訊作者之一、中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員肖鵬表示。
可提升人機交互體驗感
受人類皮膚功能和結構的啟發，能夠感知壓力、應變、溫度、濕度等不同外界刺激的傳感器材料成為研究熱點。仿生電子皮膚就是其中的一種。
“仿生電子皮膚可以將形變、溫度等外部刺激轉換為電信號，送達數據處理終端。”論文第一作者、中國科學院寧波材料技術與工程研究所博士周偉對科技日報記者說，近年來，仿生電子皮膚日益受到關注，在機器人感知、智能假肢、醫療監測等領域展現出廣闊的應用前景。
“仿生電子皮膚可以附著在機器人表面，賦予機器人觸覺感知，既能提升機器人的操作能力，也能增強人機交互的體驗感。這一材料也可以應用于假肢制造，幫助使用者感知壓力、溫度和振動等外界信息。當仿生電子皮膚貼附在人體表面時，還能實時獲得心率、血壓、體溫等生理參數，連續、不間斷地進行健康監測。”周偉說。
懸浮雙層感知結構信息獲取能力更強
為了模仿人類皮膚的感知能力，仿生電子皮膚材料既要保持靈敏度和柔韌性，也要保持穩定性和可靠性。
此項最新研究中，研究團隊創新性地構建了一種懸浮雙層感知結構材料，實現了由機械閾值介導的觸痛感知高效集成。
“可以從材料組成和器件結構兩個方面理解這一成果。”周偉告訴記者，在材料組成方面，研究團隊采用石墨烯納米片作為傳感材料和電極材料，發揮其導電性和柔韌性強的優點，基于水—氣界面組裝策略，制備出石墨烯組裝薄膜。
“再將石墨烯組裝薄膜分別與超薄彈性體薄膜和微結構彈性基底結合在一起，能保證復合材料在觸痛感知過程中的穩定性。”周偉說。
在器件結構方面，科研人員構建了懸浮雙層結構。這一結構主要由上層的懸浮彈性薄膜和下層的微結構彈性基底組成。
“材料采用壓阻式觸覺傳感技術。懸浮彈性薄膜的三維變形和機械接觸響應行為，是實現觸痛感知的關鍵。”周偉告訴記者，當彈性薄膜發生形變時，材料中的電流減小，從而產生觸覺；當上層的懸浮彈性薄膜和下層基底發生機械接觸時，材料中的電流會反向增大，即產生痛覺。
借助雙層接觸界面和電流的反向突變，仿生電子皮膚完成觸覺向痛覺感知的動態轉變。此次研究顯示，這種懸浮雙層結構能夠分辨20微米的動態位移并識別低至0.02帕斯卡的觸覺信息。
“即使在5200次接觸—分離循環刺激下，材料也能保持穩定可靠的觸痛響應性能，表現出高靈敏度和優異穩定性。”周偉說。
“通過引入痛覺信號，這種懸浮雙層感知結構可以大大增強單一觸覺傳感器獲取信息的能力，提高與環境的交互性能。”周偉介紹，團隊在機械手表面附著該仿生電子皮膚進行了實驗。結果顯示，這可以實現對機械刺激的實時響應和自我保護，提高人機交互的安全性和效率。
技術創新推動仿生皮膚發展
在工業和信息化部印發的《人形機器人創新發展指導意見》中，重點產品和部組件攻關專欄提到“開發高分辨率和具有多點接觸檢測能力的仿人電子皮膚”。相關產業正處于從研發到產業化的關鍵時期，技術探索是未來產業突破瓶頸、蓬勃發展的重要前提和基礎。
近年來，仿生材料作為材料學領域的重要研究內容，發展迅速，在材料技術、傳感技術、系統集成等方面都取得了顯著進展。
“碳納米管、石墨烯和金屬納米線等一系列具有高導電性和機械柔韌性的材料能夠在保持仿生電子皮膚柔軟性和伸展性的同時，實現高效的電信號傳輸。納米級傳感器的應用使仿生電子皮膚能感知極其微小的壓力和振動，提供精確的觸覺感知。”周偉介紹，一些仿生電子皮膚集成了自供電系統，利用壓電效應或摩擦電效應，實現了能量的自給自足。還有一些仿生電子皮膚集成了無線通信模塊，能夠實時將數據傳輸到外部設備。通過置入智能控制單元，仿生電子皮膚還可以處理和分析傳感數據，執行更復雜的反饋控制任務。
從技術層面看，仿生電子皮膚已具備便攜、智能、自我修復、多模態感知等特征。在周偉看來，提升傳感器的耐久性、穩定性和生物兼容性是當前仿生電子皮膚研究的焦點。
“比如在高溫、高濕和腐蝕性環境中，如何讓材料保持穩定？如何實時且低功耗地進行信號處理和數據傳輸？應用于醫療和人機交互領域時，如何解決生物兼容的問題？通過不斷的技術創新和多學科合作，仿生電子皮膚研究有望在未來克服這些難題，實現更廣泛、深入的應用。”周偉說。
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