在人体皮肤中，Merkel细胞和Ruffini末梢是两种机械感受器，分别位于表皮底部和真皮内部，在3D空间中密集分布。这种三维分布，可以使他们分别有效地感知皮肤的外力和应变。

　　电子皮肤是一种仿生材料，模仿人类皮肤的触觉和感知功能。它通常由柔软的材料和集成的传感器组成，可以感知压力、温度、湿度等。虽然近年来有关电子皮肤的报道层出不穷，但它们都没有模仿机械感受器的三维空间分布。此外，在接近人类皮肤的空间分辨率下，法向力、剪切力和拉伸应变的解耦测量也仍然难以实现。

5月31日，清华大学张一慧教授课题组在《Science》上以研究论文形式发表了题为“A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation”的研究成果。（图1）

介绍了一种新型的三维电子皮肤(3DAE-Skin)，它模仿了人类皮肤中的机械感受器，能够将外部力量转换成电信号。3DAE-Skin通过其三维布局，实现了对法向力、剪切力和应变的解耦感知。研究团队采用了微制造技术和精确控制的机械组装，制造出了这种具有仿生三维构型的电子皮肤。3DAE-Skin的力和应变感知组件被安排在一个三维布局中，模仿了人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。这种设计使得3DAE-Skin能够通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。（图2）

　　3DAE-Skin由三层组成：表皮、真皮和皮下组织，每层的厚度和弹性模量都接近真实皮肤。感测组件和相关的电子电路主要嵌入在真皮层中，感测组件产生的信号通过数据采集和深度学习辅助的信号处理模块进行收集和处理。3DAE-Skin由功能性部分、基底和封装组成。功能性部分包括一个3D结构单元阵列，每个单元都与连接垫互连。每个3D功能单元采用九层结构，包括两层力感测层和两层应变感测层，以及封装每层感测层的五层聚酰亚胺(PI)。通过微制造技术，可以在预定义的平面布局中制造这种多层电子设备。转移印刷和机械引导组装技术使得2D电子设备能够转变为所需的3D配置。

　　3DAE-Skin在单轴拉伸和压痕下的反应都在人类皮肤反应的典型范围内。由于异质封装策略利用非常柔软的材料来封装传感器和互连，3大皮肤也非常灵活和可拉伸，可以与假手的指尖兼容集成。（图3）

　　3DAE-Skin的解耦感知机制主要依赖于其独特的三维微观结构，力感测组件被安排在八臂网状结构上，将外部法向/剪切力转换为八臂网状结构上压阻式传感器的应变变化，每个臂上的压阻式传感器根据其所在位置和加载角度，对力的分量产生不同的响应。通过分析八臂笼状结构的静态平衡，可以将正常力和剪切力分量明确地联系到八个传感器的相对电阻变化上。通过这种方式，便可以独立地测量法向力和剪切力。

　　随后，研究人员通过机械理论分析和有限元分析(FEA)，优化了传感器在臂上的位置，以实现较高的灵敏度和较大的线性范围。3DAE-Skin在压缩、剪切和拉伸测试中的响应性能定量地证明了3DAE-Skin的解耦传感能力。这种能力对于开发高级触觉系统非常重要，这些系统可以用于假肢、机器人和其他需要精细触觉反馈的应用中。（图4）

3DAE-Skin的触觉系统能够创建一个空间-时间映射，可视化正常/剪切力和应变的分布。这种映射使用彩色八边形来表示力响应，颜色或大小表示正常力的大小，而黑色箭头或八边形的扭曲表示剪切力的大小和方向。（图5）

通过结合深度神经网络(DNN)模型，3DAE-Skin的触觉系统能够实现超分辨率感知。DNN模型通过学习传感器的相对电阻变化与施加的正常力的位置和大小之间的关系，显著提高了力加载位置的预测精度。（图6）

3DAE-Skin的触觉系统还能够通过触摸同时测量物体（水果/面包）的弹性模量和主曲率分量。这为识别物体的软度和形状提供了重要信息，特别是在物体形状未知的实际情况下。也可用于长期监测物体的弹性模量和主曲率的变化，这对于评估食物的新鲜度或成熟度等应用非常有用。（图7）

　　3DAE-Skin可以集成到智能假肢中，为截肢者提供更自然和敏感的触觉反馈，从而改善假肢的功能性和用户的使用体验。

　　在机器人技术中，3DAE-Skin可以作为机器人手或其他接触式传感器的皮肤，提高机器人对环境的感知能力，使其能够更精确地执行任务，如物体操纵、精密装配等。

　　3DAE-Skin可以用于监测患者的生理参数，如脉搏、血压和皮肤温度等。

　　在远程医疗中，3DAE-Skin可以帮助医生进行远程诊断，通过触觉反馈模拟实际的医疗检查。

　　3DAE-Skin可以用于检测食品的新鲜度和成熟度，通过测量食品的弹性模量来确定其质量。

　　在食品加工和包装行业，3DAE-Skin可以帮助自动化机械更精确地处理易碎或柔软的食品。

　　3DAE-Skin可以集成到可穿戴设备中，为用户提供更加直观和个性化的交互体验。

　　在运动和健身领域，3DAE-Skin可以监测运动员的动作和身体反应，提供实时反馈和训练建议。

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文案 | 姜笑南

排版 | 姜笑南

发布｜姜笑南