人類皮膚不是一個(gè)簡(jiǎn)單的平面結(jié)構(gòu)，而是包括表皮層、真皮層和皮下組織，每一層都有不同的功能和特性。2024 年6 月，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張一慧教授課題組從人類皮膚的精妙結(jié)構(gòu)中獲得了靈感，在國(guó)際上首次研制出一種全新的電子皮膚系統(tǒng)。它不僅模仿了人類皮膚的3 層結(jié)構(gòu)，還復(fù)制了皮膚內(nèi)部感受器的三維分布，實(shí)現(xiàn)了電子皮膚從平面到立體的飛躍。

感知精度接近皮膚

就像人類皮膚一樣，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)的這種新型電子皮膚系統(tǒng)也由“表皮層”“真皮層”和“皮下組織”組成。最外面的“表皮層”柔軟而敏感，像我們皮膚的表皮層一樣能夠快速感知輕微的觸碰。位于中間的“真皮層”包含了大部分傳感元件，負(fù)責(zé)精確識(shí)別壓力和摩擦力。最內(nèi)層的“皮下組織”主要負(fù)責(zé)感知皮膚的整體變形情況，就像我們感覺到皮膚被拉伸或壓縮一樣。

實(shí)際上，這種電子皮膚系統(tǒng)是一種模仿人類皮膚感知功能的新型傳感器，當(dāng)與外界物體接觸時(shí)，其內(nèi)部的傳感器會(huì)協(xié)同工作、收集信號(hào)。它在微小的尺寸內(nèi)集成了驚人的傳感器數(shù)量，這與人體皮膚中觸覺感受細(xì)胞的分布極為相似。例如，僅食指指尖大小的區(qū)域內(nèi)就分布著240 個(gè)金屬傳感器，每個(gè)的大小僅有兩三百微米。

這些傳感器采用獨(dú)特的八臂籠狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能更好地捕捉外部刺激。力傳感單元位于“籠子”的上部，更靠近皮膚系統(tǒng)表面，對(duì)外部壓力極其敏感，能夠精確感知輕微的觸摸。應(yīng)變傳感器主要對(duì)皮膚的拉伸敏感，位于底部的拱形結(jié)構(gòu)上，與力傳感單元保持一定距離，不受壓力干擾。獨(dú)特的三維布局讓電子皮膚能夠同時(shí)感知并區(qū)分壓力、剪切力和應(yīng)變等，感知精度可以達(dá)到 0.1 毫米，非常接近人類皮膚。

靈敏感知刺激

對(duì)于電子皮膚系統(tǒng)來說，光有精密的傳感器是不夠的，還需要一個(gè)“神經(jīng)中樞”來理解這些數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家使用了先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法，讓計(jì)算機(jī)能夠快速解讀和處理這些復(fù)雜的信號(hào)，使電子皮膚可以感知物體的存在，還能夠精確判斷物體的軟硬和形狀。

這種電子皮膚能使機(jī)器人僅僅通過觸摸，就能分辨番茄是硬的還是已經(jīng)變軟了。這種神奇的能力為未來的智能設(shè)備開辟了無(wú)限可能。

應(yīng)用前景廣闊

這種電子皮膚系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

在醫(yī)療領(lǐng)域，用它制作的超級(jí)靈敏的醫(yī)療手套能夠幫助醫(yī)生進(jìn)行早期診斷，感知人們難以察覺的微小腫塊或組織異常。

在智能假肢領(lǐng)域，這種電子皮膚系統(tǒng)能讓失去肢體的人重新獲得觸覺，像正常人一樣感受愛人手中的溫度或孩子臉頰的柔軟。

在工業(yè)領(lǐng)域，裝配線上的機(jī)器人如同有著靈巧雙手的工匠，在處理精細(xì)零件時(shí)更加仔細(xì)、小心。也許在不久的將來，你和機(jī)器人握手時(shí)，便能感覺到對(duì)方手上的溫柔。

（責(zé)任編輯：陸艷）