清华研制出世界首款具仿生三维架构电子皮肤

科技日报记者 华凌

记者6月5日从清华大学获悉，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创新性研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤系统，可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。目前这一科研成果属于世界首个，相关论文发表在最新一期的国际学术期刊《科学》上。

具有三维架构的电子皮肤：仿生设计概念及真实器件图片。A图展示电子皮肤的仿生设计概念；B图为贴于机械手指尖的电子皮肤；图C-G为电子皮肤的照片、力传感单元与应变传感器局部放大图及应变栅线与过孔局部显微放大图片

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，在物理层面实现多种机械信号的同步解码和感知。

张一慧团队提出一种具有三维架构的新型电子皮肤设计概念，其结构中的力与应变传感器的三维分布效仿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。

据介绍，这种三维电子皮肤与皮肤结构类似，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。

基于此，研究人员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，体现其在物理量定量测量（如摩擦系数等）、人机交互等领域的应用潜力。