仿生电子在智能传感领域的应用

简介

自然界中的动物，植物和微生物都是成熟的工程师，自然系统中的缓慢进化早就了他们无与伦比的感知能力。当然，人类也在进化过程中开发出五种精致的感官系统，使我们能够看到，听到，品尝，嗅觉和触摸等客观世界的相关信息。最近在模仿人类感官技术方面已经取得了巨大进步。 通过仿生学已经产生了新型电子系统 ，可以替代病灶器官制备具有类人类感觉系统的人形机器人。微电子工业和印刷电子技术的最新发展进一步创造了整合生物特征与传感系统的能力。例如，通过印刷方式制备的半导体器件柔软可弯曲。 此外，使用软材料可以复制生物体中复杂纳米微结构。将生物细胞 和高性能晶体管技术相结合的混合传感器就像嗅觉系统一样，能够检测 多种分子。随着时间的推移，现今仿生学方面已经取得了巨大的成就， 大自然作为一个天然宝库，提供了巨大的灵感，并成为众多创新的源泉。

本篇推文带领大家回顾一下仿生学在信息电子学的研究现状。可想而知，这一领域的巨大发展将对可穿戴或植入式电子产品，替代假肢和智能机器人领域产生巨大影响。

以生物感觉系统为例，生物受体响应物理刺激从而引发生物感觉。感觉系统都具有共性，即通过一种感觉转导系统处理和转换受体接收到的电信号中的任何感觉。这种转换的电信息被发送到大脑中专用的认知感觉神经系统，并做进一步处理和解释。 总而言之，整个感官系统创造了对世界的感知。在人类中，有四种类型的传统受体类别主要负责传统的五种感觉：化学感受，光感受，机械感受器和热感受。

图1 人体模型中的五种感官示意图

图1显示了人体模型中的五种感官的示意图，以及代表每个负责器官的最近开发的仿生电子学。例如， 通过研究听觉感官系统的复杂结构激发了工程师创造出超越传统助听器的声音和振动传感器 。化学感受器的机制为创造人工嗅觉和味觉系统提供了充分的帮助，直接促进了气体和食物传感器的发展。 开发的电子皮肤已经超越了人类的敏感性。

下面我们就按着这几个方面分别介绍一下仿生学技术在智能传感上的应用进展，以及在未来进一步发展的方向和应用。

一、 视觉感官系统

神经科学和认知心理学研究表明，80％以上外部世界的信息通过视觉进入大脑。 作为最精细的器官之一，人眼是一个复杂的视觉系统 ，它根据电磁射线的感知处理视觉输入信号。入射光线聚焦在视网膜上，感光器杆和视锥细胞进行接收。使用光响应半导体器件，如光电二极管和光电晶体管，可以在电子系统中模拟这些生物细胞。最简单的 光电探测器是p-n结光电二极管，这种半导体器件吸收光子以在耗尽 区中产生电子-空穴对，并将它们转换成电流。数码相机利用这种光电探测器的阵列作为图像传感器。就像 人眼一样，数码相机将入射光线聚焦到 图像传感器阵列上以获取数字存储器中的照片。虽然 数码相机是模仿 电子设备的成功示例，但它尚未完全集成 眼睛的关键特征。因为眼睛的后部是圆形的，所以 光感受器以半球形状铺设。在这种 形式下，光感受器可以捕获具有广角视图，高分辨率和低像差的图像。 然而， 数码相机中的平面焦平面阵列需要透镜光学系统来消除轴外像差，如像散，弯曲。 此外，其他生物眼，如 在节肢动物中发现的复眼，在凸半球形结构中具有光感受器（ommatidia），以获得更宽的视角。无论 眼睛类型如何，所有光感受器都以曲线结构制备。

1.1. 仿人眼电子设备

图2 人体仿生电子眼得多种模型结构示意图

人眼将光感受器放置成半球形以便正确收集入射光线（图2a）。过去提出利用转移印刷技术在软弹性体制备变形半导体光电探测器创建半球焦平面阵列。在弯曲图像传感器 阵列中，使用可变形电子微丝连接基于硅纳米膜的光电二极管，使得当 整个阵列被转移到软弹性体上时， 像素将不受压缩和拉伸的影响。 由弯曲图像传感器阵列捕获的图像示出。半球形焦平面阵列的进一步发展增加了放大功能。在另一个概念设计中，基于有机半导体的光电探测器和 互连被转移到带有3D印章的曲线基板上，以建立半球形焦平面阵列。最近，这种半球形焦平面阵列的进展已证明使用折纸方法增加了像素密度。图2d示出了密集，紧凑硅的超过250个光电探测器阵列，其中阵列被预先设计成类足球结构得二十面体的网。

1.2. 昆虫的眼睛灵感电子

不同于哺乳动物（与哺乳动物的眼睛相反）， 大多数昆虫都有复眼，由凸半球形布局的光感受器组成（图2h）。每个光 检测单元具有其自己的光学透镜和感光器设备，并密集定位成大阵列。虽然分辨率不如哺乳动物眼睛优越，但这种复合 类型在检测更宽角度的移动物体方面表现更好。 通过 在曲线表面利用高性能半导体器件，引入了模拟这种复眼的新技术（图2i）。将 与蛇形 互连件连接的可拉伸阵列的光电二极管和阻挡二极管印刷到弹性体基板上，并 使用液压致动器变形为凸半球。 来自液压致动器的均匀施加的压力产生了 几乎完整的半球形状，其由许多光电探测器像素组成，其与昆虫中的眼睛相当。 凸透镜及其位于 每个像素顶部的支撑柱对应于角膜透镜。采用传统 材料和微电子封装方案制造，这种复合眼图原型具有高度可扩展性和快速商业化潜力。 移植这种用于视觉假体的人工电子眼可能处于早期阶段。尽管如此，这些生物 眼睛模仿装置结构对于先进的成像传感器是开创性的，并且是未来相机和机器人的直接潜在候选者。

二、听觉感觉系统

图3 仿生学模拟听觉系统中得多种结构示意图

在哺乳动物的耳朵中， 声波中的气压振动导致耳膜以精确的 频率和振幅振动，这些振动通过 小骨传递到耳蜗毛细胞以转换成电信号 。 听觉系统的惊人复杂结构，特别是耳蜗系统，可以将振动 信号放大几百倍，从而即使是最微小的 声音也能被选择性识别。其他物种，如蜘蛛，蟑螂，蝎子和蟋蟀，已经进化而来 独特的感官系统，专门用于感知 各种频率的振动，与配偶交流， 探测附近的敌人和猎物。它们的振动受体 由纳米机械设计构成，其以极小的机械刺激振荡并刺激感觉神经。正如这些生物物种所证明的那样，振动是信息共享和 地方地位识别的最重要的交流通道之一。因此，患有听觉系统故障的患者具有严重的通信 问题。研究人员为发出低成本，低功耗，轻便且稳定的人工听觉系统而努力奋斗。 如上所述，听觉的生理基础 是机械感觉。与皮肤受体相反，触觉的机械感受器 具有高达400 Hz的振动感应范围，而听觉系统的灵敏度更高，范围更广振动频率检测范围（20-20 000 Hz）。通过电子设备模仿这种先进的设计需要 将精细的材料和结构与复杂的光刻图案化技术相结合。 最近的研究已经提出了新的机制和 制造方法来模仿 生物物种的听觉系统结构，使声音检测设备的 频率高达20 kHz。

三、嗅觉和味觉感觉

化学感受器负责产生两种气味和味觉。然而，嗅觉和味觉受体具有非常不同的化学和神经组成。在人类的鼻子里，≈400种功能性嗅觉受体（ORs）形成了各种气味传感器的复杂网络，可以检测气态的远处化学物质。人的舌头由味蕾感测物质。每个味蕾由 50-150种不同的味觉受体细胞组成，它们与 蛋白质偶联以检测苦味，甜味和尿味， 咸味和酸味。嗅觉和味觉受体系统通过向大脑传递化学信息用以检测气味和食物。 两种系统区分不同化学分子的显着能力 引起了研究人员的兴趣，他们研究了这些系统作为电子化学传感器的应用，为环境监测，食品质量/安全 评估，和医学诊断提供了潜在的应用。生物电子鼻和舌头通常由初级感知 元件和次级传感器和放大器组成，灵感来自生物化学感受器和神经系统。因此，独特的化学传感器结合了生物受体和 新型换能器，如微电极阵列 （MEAs，电化学和光学器件，和基于纳米材料的菲尔德效应晶体管（FET）证明有效将外部化学 信号转换成电信号。

图4 仿生学制备得生物电子鼻和电子舌模型示意图

四、触觉感应系统

各种触摸感应能力的电子皮肤可能是其中最模仿的仿生电子，包括柔性可拉伸的电子学研究。人的皮肤 是建成的最大的人体器官，这些复杂的传感器 一起工作以提供极其敏感的触摸感觉（图5a）。因为触觉感受是由 不同类型的触摸感受器的全面努力 产生的，所以创造一个完整的人工皮肤需要模仿 不止一个感觉系统。基本上， 使用电子元件成功模仿人体皮肤将包括 物理压力，应变和温度传感器，模仿 人类可以感受到的完整触感。人体 皮肤是独一无二的，因为它可以感知最微小的物理压力，同时实现变形，例如弯曲，拉伸 和压缩。此外，其区分压力 （戳刺）与应变（拉伸，扭曲和压缩） 以及同时以空间 分布的方式检测附近温度的能力表现出传感机构的复杂性和独立性。图5显示了实现这些触摸感觉的最新代表性方法。

图5 仿生电子学制备得类皮肤电子传感器系统

结论

几十年前，工程师和科学家刚刚开始通过遍布全身的数千种感觉受体了解我们的大脑构建感觉的方式。正如本文所述，今天的技术已迅速发展，模仿感觉器官，使我们能够以精确的性能和准确度观察，听到，闻到，品尝和触摸电子设备。 此外，技术通过 其他生物物种的研究和仿生学复制了许多非传统的感官系统，这些生物物种已经形成了他们自己的 感知世界的方式。这些方向为许多 生物医学和工程应用提供了前景，包括假体，和人形机器人。因此，用于人工感觉器官的生物激发电子器件的出现不仅会导致假体，还会为人类提供新技能或 生产具有超常能力的类人机器人。 尽管到目前为止所实现的系统代表了所有传统的五种感觉，以及许多非传统的感官，但是需要进一步研究以实现各个装置协同作用到 一致的多功能感觉系统中。到目前为止，由于实质性的限制， 每种传感器技术都在没有 单片集成的情况下单独进行创新。对于 例如，听力传感器集成触摸传感器可以 是具有挑战性的，因为这两个相似的感测机构可 导致来自不同的机械刺激的干扰。需要仔细 选择材料，加强对不同生物学的跨学科理解才能为下一代人机系统研究提供了强大的动力，特别是在模仿生物传感系统的过程中。

仿生电子皮肤的创新应用与未来发展

仿生电子皮肤是一种模拟人类皮肤功能的高科技产品，它结合了电子技术和材料科学，旨在为假肢、机器人以及可穿戴设备等领域提供类似人类皮肤的触觉感知能力。以下是仿生电子皮肤诞生的一些关键点：

研发背景

研发过程

技术突破

应用前景

社会影响

仿生电子皮肤的诞生标志着人类在模仿自然和创造智能系统方面迈出了重要一步，它不仅具有广泛的应用潜力，也为我们理解感官系统提供了新的视角。

关于仿生电子皮肤的具体应用案例和未来发展趋势，以下是一些重要的信息：

应用案例

智能假肢 ：仿生电子皮肤可以用于制造智能假肢，帮助截肢者恢复触觉、痛觉和温度感知。例如，斯坦福大学的鲍哲南教授团队开发的电子皮肤能模拟手指、脚趾或四肢在被戳或烫伤时的感觉 。

医疗监测 ：中国科学院宁波材料技术与工程研究所的团队开发的仿生电子皮肤可以实时监测心率、血压、体温等生理参数 。

触觉感知 ：清华大学团队研发的新型电子皮肤能提升机器人的触觉感知能力，使其能够更好地进行人机交互和协作 。

智能机器人 ：仿生电子皮肤可用于机器人，使其具有类似人类的触觉，提高操作能力和交互体验 。

新型交互方式 ：鲍哲南教授提出，未来的电子皮肤可能整合到衣物或植入体内的电子器件中，实现新型的人与环境之间的交流方式 。

未来发展趋势

多功能集成 ：未来的仿生电子皮肤将集成更多功能，如更高效的触痛感知集成，实现对压力、摩擦力和应变等多种力学信号的同步解码和感知 。

生物医疗 ：仿生电子皮肤在生物医疗领域的应用将更加广泛，如用于早期诊疗、实时健康监测等 。

工业机器人 ：在工业机器人领域，仿生电子皮肤的应用将提高机器人的智能化程度和操作效率 。

智能化 ：随着人工智能技术的发展，仿生电子皮肤将更加智能化，能够基于感知到的信息做出智能决策 。

个性化定制 ：未来可能会出现根据个体需求定制的仿生电子皮肤，以更好地适应不同应用场景。

总的来说，仿生电子皮肤作为一种创新技术，其应用前景广阔，不仅在医疗和机器人领域有显著的应用潜力，还可能改变我们与电子设备的交互方式。随着技术的不断进步，其未来的应用将更加多元化和深入。

在军事领域，仿生电子皮肤的应用同样具有广泛的前景和潜在价值。以下是一些可能的应用场景：

情报收集与监测

战场装备与防护

人机交互与控制

伤员救护与康复

特殊任务执行

总的来说，仿生电子皮肤在军事领域的应用主要集中在提升装备的智能化水平、增强士兵的作战能力和保护士兵安全等方面。随着技术的发展，这些应用将变得更加实用和高效。关于仿生电子皮肤在军事领域的具体应用案例，以下是一些重要的实例：

这些应用案例展示了仿生电子皮肤在军事领域的广泛潜力，从提高单兵防护能力到增强装备的智能化水平，都体现了这一技术的创新性和实用性。随着技术的进一步发展，仿生电子皮肤在军事领域的应用将更加深入和广泛。

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