人類指尖皮膚的精密觸覺(jué)感知能力，長(zhǎng)期以來(lái)一直是電子皮膚（e-skin）領(lǐng)域研究者們力圖復(fù)現(xiàn)的目標(biāo)。這種多層結(jié)構(gòu)由相互鎖扣的表皮和真皮組成，密布著觸覺(jué)受體，能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的機(jī)械感覺(jué)。然而，當(dāng)前的電子皮膚實(shí)現(xiàn)方案主要依賴聚合物薄膜或離子彈性體，這些材料與天然皮膚在本質(zhì)上截然不同，或是僅能構(gòu)成簡(jiǎn)單的復(fù)合材料，從而無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)原生皮膚環(huán)境。此外，現(xiàn)有研究大多僅通過(guò)磨砂表面圖案化或間隔物輔助接觸調(diào)節(jié)來(lái)模擬真皮乳頭結(jié)構(gòu)，未能闡明材料特性與結(jié)構(gòu)功能之間的內(nèi)在耦合，這一空白限制了皮膚組分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高級(jí)傳感行為的集成仿生。

近日，浙江大學(xué)藍(lán)玲怡研究員團(tuán)隊(duì)受人類指尖皮膚的真皮細(xì)胞外基質(zhì)（一種由膠原蛋白-透明質(zhì)酸增強(qiáng)的復(fù)合水凝膠）啟發(fā)，報(bào)道了一種新型仿生電子皮膚。通過(guò)將乳酸鈉和蒙脫石納米片整合到明膠基質(zhì)中，研究團(tuán)隊(duì)利用動(dòng)態(tài)離子交聯(lián)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出一種具有與天然皮膚相似的機(jī)械特性和保濕性能的仿生凝膠。該凝膠表面進(jìn)一步采用砂紙模板策略，設(shè)計(jì)出類似真皮乳突的微觀結(jié)構(gòu)。由此構(gòu)建的離子型觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)466.3 kPa?1的靈敏度、47毫秒的快速響應(yīng)以及從20帕斯卡到2000千帕斯卡的寬壓力檢測(cè)范圍。基于此高性能傳感器，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種可拉伸、超薄、手形的離子型傳感器陣列，可無(wú)縫集成到靈巧的機(jī)器人手部，實(shí)現(xiàn)了精確、無(wú)損的抓握和高保真、多通道的壓力映射。相關(guān)論文以“Skin-mimicking biogel-based iontronic sensor with hierarchical bionic coupling for dexterous tactile e-skin”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

圖1 | 人類皮膚與電子皮膚的觸覺(jué)感知 a 人類 fingertip 皮膚觸覺(jué)感知示意圖，由膠原纖維和透明質(zhì)酸組成。fingertip 皮膚通過(guò)真皮乳頭增強(qiáng)觸覺(jué)靈敏度，并通過(guò)默克爾盤感受器和魯菲尼小體感知輕觸和形變等觸覺(jué)信息。產(chǎn)生的感受器電位經(jīng)神經(jīng)元傳遞至脊髓，最終以動(dòng)作電位形式傳遞至大腦（i）。電子皮膚觸覺(jué)感知過(guò)程示意圖，突出展示了集成的GSM仿生凝膠基離子觸覺(jué)傳感器。電子皮膚通過(guò)雙電層效應(yīng)檢測(cè)壓力，并通過(guò)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)傳感靈敏度和響應(yīng)速度。電容變化經(jīng)電路板處理以實(shí)現(xiàn)智能感知（ii）。b GSM仿生凝膠基手形離子觸覺(jué)傳感器陣列照片（i），展示直徑為5 mm的傳感單元（ii）和彩色SEM圖像顯示最大總厚度為1.2 mm（iii）。比例尺：4 cm（i），5 mm（ii），350 μm（iii）。c 集成手形離子觸覺(jué)傳感器陣列的機(jī)器人電子皮膚系統(tǒng)（i），具有高靈敏度（ii）和多通道（iii）特性。MMT：蒙脫石，SL：乳酸鈉，TPU：熱塑性聚氨酯，PDMS：聚二甲基硅氧烷，PET：聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，GSM biogel：明膠/乳酸鈉/蒙脫石仿生凝膠，e?skin：電子皮膚，F(xiàn)：力。

這種被命名為GSM的仿生凝膠，其設(shè)計(jì)靈感直接來(lái)源于真皮的結(jié)構(gòu)組成（圖2D）。明膠因其可逆的溫度依賴性相變特性，成為模擬膠原纖維的理想材料。然而，純明膠水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)低于天然皮膚。為此，研究人員加入了乳酸鈉——一種天然保濕因子，其羧基與明膠的氨基發(fā)生離子相互作用，顯著增強(qiáng)了凝膠的拉伸應(yīng)力和彈性模量（圖2A）。進(jìn)一步加入超聲剝離的蒙脫石納米片后，帶負(fù)電的納米片引發(fā)了二次交聯(lián)，形成了更致密的纏結(jié)聚合物網(wǎng)絡(luò)，將拉伸應(yīng)力提升至1.88兆帕斯卡，彈性模量提升至1.40兆帕斯卡，與天然皮膚特性極為接近。通過(guò)紅外光譜（圖2B）和拉曼光譜（圖2C）分析，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了乳酸鈉和蒙脫石通過(guò)形成增強(qiáng)的離子交聯(lián)和氫鍵，協(xié)同強(qiáng)化了明膠網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，當(dāng)蒙脫石含量為0.5%時(shí)，凝膠在機(jī)械性能和離子電導(dǎo)率之間取得了最佳平衡（圖2E）。同時(shí)，乳酸鈉的加入極大改善了水凝膠的保濕性，使其在12小時(shí)平衡后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（圖2F），確保了長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定的傳感性能。差示掃描量熱法（圖2G）和X射線衍射（圖2H）進(jìn)一步揭示了存儲(chǔ)過(guò)程中凝膠內(nèi)部三螺旋結(jié)構(gòu)的形成與重排。該仿生凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的壓縮強(qiáng)度和抗壓穩(wěn)定性（圖2I），并在循環(huán)壓縮測(cè)試中展現(xiàn)出穩(wěn)定的能量耗散能力（圖2J）。

圖2 | GSM仿生凝膠的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)表征 a 明膠水凝膠、GS雙組分凝膠和GSM凝膠的彈性模量和拉伸應(yīng)力。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3。b 明膠水凝膠、GS凝膠和GSM凝膠的ATR-FTIR光譜及c 拉曼光譜。d 明膠鏈、乳酸鈉和蒙脫石之間相互作用的示意圖。e 不同蒙脫石質(zhì)量比的GSM凝膠的彈性模量和拉伸應(yīng)力。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3。f 平衡過(guò)程中不同儲(chǔ)存時(shí)間下GSM凝膠的彈性模量和拉伸應(yīng)力。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3。g 不同儲(chǔ)存時(shí)間下GSM凝膠的DSC光譜，h 不同儲(chǔ)存時(shí)間下GSM凝膠的XRD光譜。i 明膠水凝膠、GS凝膠和GSM凝膠的壓縮模量。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3。j 平衡后GSM凝膠在不同循環(huán)壓縮次數(shù)下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

為了模仿人類指尖皮膚中增強(qiáng)壓力敏感性的真皮乳突結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)在仿生凝膠表面利用砂紙模板制備了梯級(jí)可填充結(jié)構(gòu)（圖3A）。他們將具有微結(jié)構(gòu)的凝膠與銅/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯電極以及聚二甲基硅氧烷間隔層和封裝層組裝在一起，構(gòu)建了離子型傳感器。得益于雙電層效應(yīng)，當(dāng)壓力施加時(shí)，凝膠與電極的接觸面積增加，同時(shí)蒙脫石層間釋放的可解離鈉離子極大地提高了載流子濃度，加速了界面離子遷移。在微結(jié)構(gòu)和蒙脫石的協(xié)同作用下，傳感器的靈敏度在低壓區(qū)高達(dá)466.3 kPa?1（圖3B）。該傳感器不僅能檢測(cè)到低至20帕斯卡的細(xì)微壓力（圖3C），還能在高達(dá)2000千帕斯卡的高壓下可靠工作，并表現(xiàn)出48/57毫秒的快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（圖3D）。與已有報(bào)道的微結(jié)構(gòu)電容式傳感器相比，該研究展現(xiàn)出的綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯（圖3E）。有限元仿真和等效電路分析解釋了其三個(gè)靈敏度區(qū)域的機(jī)制：低壓時(shí)微結(jié)構(gòu)尖端接觸形成雙電層，中壓時(shí)側(cè)壁接觸面積增加，高壓時(shí)則轉(zhuǎn)變?yōu)槟z本體的壓縮（圖3F、G）。

圖3 | 離子觸覺(jué)傳感器的機(jī)理與傳感性能 a 基于砂紙微結(jié)構(gòu)GSM凝膠的離子觸覺(jué)傳感器的組成示意圖。砂紙微結(jié)構(gòu)GSM凝膠的45°傾斜視角和橫截面SEM圖像。比例尺：20 μm。b 相對(duì)電容變化（ΔC/C?）隨壓力的變化曲線。c 最低檢測(cè)限。d 響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。e 本文離子觸覺(jué)傳感器與已報(bào)道微結(jié)構(gòu)電容式傳感器的靈敏度對(duì)比。f 離子觸覺(jué)傳感器施加壓力前后的工作機(jī)理示意圖。g 不同壓力下砂紙微結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的仿真結(jié)果。PAM：聚丙烯酰胺，SA：海藻酸鈉，SBMA：磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯，DADMAC：二烯丙基二甲基氯化銨。

基于此高性能單元，研究人員進(jìn)一步開發(fā)了一種可無(wú)縫貼合靈巧機(jī)器人手部的手形離子型傳感器陣列（圖4A）。陣列的電極采用可拉伸銀漿在熱塑性聚氨酯基板上絲網(wǎng)印刷而成，并設(shè)計(jì)了圓形、蛇形和方形圖案。通過(guò)將聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯固定盤和聚二甲基硅氧烷間隔層與電極結(jié)合，形成了“島-橋”結(jié)構(gòu)，有效將機(jī)械應(yīng)變與傳感區(qū)域解耦，確保了動(dòng)態(tài)變形下的穩(wěn)定傳感性能。有限元仿真（圖4B）和實(shí)物測(cè)試（圖4C）表明，該電極可承受高達(dá)60%的應(yīng)變，并具有出色的耐久性。通過(guò)精密的十字標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)策略，將仿生凝膠、間隔層和電極組裝起來(lái)，最終得到的電子皮膚厚度僅為200微米至1.2毫米，并可承受扭曲、卷曲和拉伸等變形（圖4C）。為了驗(yàn)證其觸覺(jué)感知能力，研究團(tuán)隊(duì)利用集成了該電子皮膚的機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)獼猴桃、芒果、李子、桃子等水果進(jìn)行了單指按壓測(cè)試（圖4D）。結(jié)果顯示，傳感器能夠根據(jù)電容響應(yīng)峰值（圖4E、F）清晰地區(qū)分不同水果的成熟度，且其測(cè)得的彈性模量與商用質(zhì)構(gòu)分析儀的結(jié)果高度相關(guān)（圖4G），證明了其無(wú)損評(píng)估水果品質(zhì)的能力。

圖4 | 手形離子觸覺(jué)傳感器陣列的組裝、表征與應(yīng)用 a 多層組裝離子觸覺(jué)傳感器陣列的示意圖。b Ag/TPU電極（含PET固定盤）在60%拉伸應(yīng)變下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果。c 離子觸覺(jué)傳感器陣列扭曲、卷曲和拉伸變形的照片。比例尺：4 cm。d 集成微結(jié)構(gòu)仿生凝膠基離子觸覺(jué)傳感器陣列的機(jī)器人電子皮膚系統(tǒng)智能檢測(cè)水果成熟度的示意圖。e 觸摸四種不同成熟度水果時(shí)離子觸覺(jué)傳感器陣列的實(shí)時(shí)電容響應(yīng)，f 相應(yīng)的電容峰值。g 質(zhì)構(gòu)分析儀與傳感系統(tǒng)測(cè)量的水果彈性模量對(duì)比。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，n=3。比例尺：7 cm。

為全面模擬人類抓握行為，研究團(tuán)隊(duì)將手形傳感器陣列與信號(hào)采集系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器和實(shí)時(shí)可視化軟件集成，構(gòu)建了一個(gè)完整的觸覺(jué)感知系統(tǒng)（圖5A）。該系統(tǒng)采用干簧管和移位寄存器構(gòu)建的串?dāng)_抑制電路以及逐點(diǎn)順序掃描策略，實(shí)現(xiàn)了高保真的多通道信號(hào)采集。在對(duì)硬桃（圖5B）、中等硬度桃（圖5C）和軟桃（圖5D）進(jìn)行抓取時(shí)，傳感器陣列生成了與不同硬度相對(duì)應(yīng)的電容響應(yīng)熱力圖。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)利用采集的多通道信號(hào)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行成熟度分類（圖5E）。t分布隨機(jī)鄰域嵌入可視化分析結(jié)果顯示，不同成熟度的樣本形成了清晰的聚類（圖5F）。其中，隨機(jī)森林模型表現(xiàn)最佳，交叉驗(yàn)證分?jǐn)?shù)高達(dá)0.9692，并在測(cè)試集上達(dá)到了100%的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（圖5G）。該模型的歸一化混淆矩陣進(jìn)一步確認(rèn)了其對(duì)“軟”、“中”、“硬”三種成熟度桃子的完美分類能力（圖5H）。最終，該水果成熟度分類模型被嵌入機(jī)器人操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果實(shí)成熟度的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)分類。

圖5 | 先進(jìn)智能感知系統(tǒng)的演示 a 感知系統(tǒng)示意圖，包括具有手形離子觸覺(jué)傳感器陣列的靈巧手、信號(hào)采集與傳輸單元以及信號(hào)處理單元。b–d 抓取和釋放硬桃（b）、中度成熟桃（c）、軟桃（d）過(guò)程中的電容響應(yīng)熱圖。e 目標(biāo)分類過(guò)程示意圖。f t-SNE可視化分析結(jié)果圖。g 不同監(jiān)督學(xué)習(xí)模型在水果成熟度數(shù)據(jù)集上的交叉驗(yàn)證得分和測(cè)試準(zhǔn)確率。h 隨機(jī)森林模型的歸一化混淆矩陣。CDC：電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，MCU：微控制單元，USB：通用串行總線，ML：機(jī)器學(xué)習(xí)，CV：交叉驗(yàn)證，SVM：支持向量機(jī)，LR：邏輯回歸，NB：樸素貝葉斯，kNN：k近鄰，XGBoost：極致梯度提升，RF：隨機(jī)森林。

總結(jié)而言，這項(xiàng)研究成功開發(fā)了一種受生物啟發(fā)的電子皮膚，它統(tǒng)一了分級(jí)材料設(shè)計(jì)、微結(jié)構(gòu)工程和異質(zhì)封裝，同時(shí)復(fù)制了人類皮膚的多層結(jié)構(gòu)和觸覺(jué)受體的空間分布。該設(shè)計(jì)增強(qiáng)了離子電荷載流子密度并優(yōu)化了接觸力學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輕柔壓力的高靈敏度和在大變形下的寬檢測(cè)范圍。通過(guò)與機(jī)器學(xué)習(xí)信號(hào)處理相結(jié)合，該手形離子型傳感器陣列賦予了靈巧機(jī)器人手實(shí)時(shí)的精確空間觸覺(jué)感知能力。對(duì)不同形狀和成熟度水果的抓取測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)實(shí)時(shí)評(píng)估物體的能力。這項(xiàng)研究為先進(jìn)的觸覺(jué)傳感、人機(jī)交互和下一代仿人機(jī)器人技術(shù)建立了一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，同時(shí)其可擴(kuò)展的制造方法為更廣泛的假肢和機(jī)器人應(yīng)用提供了實(shí)用路徑。