军用潜力巨大！中国发明全球首款仿生电子皮肤！
戍天九思原创第735期
据6月5日《科技日报》报道，清华大学航天航空学院、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。
这款电子皮肤系统的主要突破和特点
报道称，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。
基于这种具有三维架构的电子皮肤，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。具体来说，有三大特点：
一是像皮肤一样多种感知。 在人体皮肤中，神经检测压力或温度变化，然后向大脑发送电信号。这款电子皮肤模仿了生物皮肤的结构和功能，在物理层面实现了对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知。
二是人机交互体验感强。 电子皮肤通过相同单元来同时检测温度、压力和湿度等不同物理量，既可有效避免信号干扰，还能通过触觉反馈实现远程“触摸”，增强人机交互的体验感。
三是系统自供电。 这款电子皮肤可通过摩擦电和压电效应将机械能转化为电能，实现自供电，在没有外部电源的情况下也能持续工作。
电子皮肤军用潜力巨大
这种电子皮肤用途广泛，民用可用于医疗健康、机器人技术、虚拟现实与增强现实、智能穿戴设备、环境监测、生物传感器等等。军用电子皮肤早已突破，而且在昂贵的五代机上已经率先用上了。现在，中国军民融合、两条腿走路，就会走得更快，关键是要进一步降低成本。笔者认为，军用主要有四大用途：
1、用于智能军服和防弹衣——提高防护能力。 智能军服是通过集成多种技术（智能材料、电子信息、计算机控制等）来实现对光、电、热、力、磁等战场态势变化的智能感知，并做出积极响应的装备系统。这种系统被称为士兵的“第二皮肤”，具备优异的保护和监测功能。此外，将电子皮肤嵌入防弹衣或其他防护装备中，可以实时监测到子弹、弹片或其他尖锐物体对装备的冲击情况。通过分析收集到的数据，可以更准确地评估防护装备的防护效果和性能，为军事人员提供更安全的保护。
2、用于隐形飞机和潜艇——可智能感知和隐身。
在隐形飞机上， 电子皮肤通过集成多模式传感器技术、微机电技术等，能够实现对外界环境的高灵敏度感知，同时保持隐身性能。不仅能使飞机在空中进行有效的通信和导航，还能在必要时刻迅速调整其结构以适应不同的飞行条件，从而提高飞行安全性和效率。目前，F-35、歼-20采用的智能蒙皮技术就是一种电子皮肤。
在潜艇上， 2022年10月，中国科学技术大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作研发的全球首款水下多模态电子皮肤，展示了其在水下场景中的应用潜力。该电子皮肤能够实现水下触觉信号和环境信号的一体化监测，包括接触压、触觉图像、温度、深度和盐度等多模态传感方式。不仅有助于潜艇在复杂水下环境中进行精确操作，还能增强其隐身能力，使潜艇在执行任务时更加难以被探测到。
3、用于无人机控制系统——实现精确控制。 这款电子皮肤可以实现对“接触力、接触位置、接近度和温度”的多模态感知，这种多模态感知能力使得电子皮肤能够更好地理解和响应环境变化，从而提高无人机的操作灵敏度和准确性。
4、用于人形机器人——提高多维感知能力。 通过模仿人类皮肤的延展性、自愈能力、高机械韧性和触觉感知能力，能够显著提升机器人的外界感知能力，不仅能让机器人更好地理解和适应环境，还能在医疗、救援、探险等复杂环境中进行精细化操作。比如，在手术中，医生可以佩戴电子皮肤让手术机器人获取实时信息，能够像人一样感知手术过程中病人的各种变化，从而提高手术的精准度。
总之，电子皮肤，潜力无限，未来可期。
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
需求驱动 ：随着人工智能和机器人技术的发展，对于能够感知外部环境的电子设备的需求日益增长。生物启发 ：人类皮肤具有高度复杂的感知能力，能够感知压力、温度、湿度等多种外界信息，这启发了科学家们研发类似功能的电子皮肤。研发过程
材料创新 ：研发团队需要找到或创造新型材料，这些材料需要具有良好的柔韧性、导电性以及环境适应性。结构设计 ：仿生电子皮肤的结构设计需要模拟人体皮肤的层次结构，使其能够实现多维度的感知。系统集成 ：将传感器、处理器和通信模块等集成到一张“皮肤”中，实现数据采集、处理和传输的功能。技术突破
柔性电子技术 ：通过使用柔性材料，如导电聚合物和纳米材料，制造出可以弯曲和拉伸的电子器件。微纳加工技术 ：利用微纳加工技术制造出微米甚至纳米级别的传感器，以实现高灵敏度的触觉感知。生物兼容性 ：确保材料与人体有良好的生物兼容性，以便在医疗假肢等应用中可以直接与人体接触。应用前景
医疗领域 ：为截肢者提供具有触觉的假肢，增强其生活质量。智能机器人 ：赋予机器人物理交互能力，使其能够更加智能地适应环境。可穿戴设备 ：开发新型的可穿戴设备，提供更加自然的人机交互体验。社会影响
科技进步 ：仿生电子皮肤的研发推动了材料科学、电子工程和生物医学工程等多个领域的科技进步。伦理讨论 ：随着仿生技术的进步，关于人机融合的伦理问题也逐渐成为社会讨论的热点。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
医疗领域 ：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 。
机器人技术 ：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 。
人机交互 ：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
技术突破 ：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 。
应用拓展 ：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 。
智能化与个性化 ：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
隐蔽侦察 ：仿生电子皮肤可以用于制造高级的侦察设备，如微型无人机或机器人，它们能够悄无声息地进入敌后区域，收集情报而不会引起注意。环境监测 ：在战场上，仿生电子皮肤可用于监测化学、生物或放射性物质，提供早期预警。战场装备与防护
士兵装备 ：集成仿生电子皮肤的士兵装备可以提供更高级的环境感知能力，比如在夜间或能见度低的环境中增强士兵的感知能力。智能装甲 ：装甲车辆或单兵防护装备可以装备仿生电子皮肤，以更好地感知外部环境，比如监测到潜在的攻击。人机交互与控制
人机界面 ：在复杂的军事操作中，仿生电子皮肤可以作为高级的人机交互界面，提高操作效率和准确性。远程操控 ：在遥控无人机或其他远程操作设备时，仿生电子皮肤可以提供更真实的触觉反馈，帮助操作者更好地控制设备。伤员救护与康复
伤员监测 ：在战场救护中，仿生电子皮肤可用于监测伤员的生理状态，如心率、血压等，以便更有效地进行救护。康复辅助 ：对于受伤士兵，仿生电子皮肤可以用于假肢或康复设备，帮助他们恢复触觉和其他感觉。特殊任务执行
爆炸物处理 ：在处理爆炸物等危险任务时，仿生电子皮肤可以用于制造具有高灵敏度的机器人，以减少人员风险。水下探测 ：在水下军事行动中，仿生电子皮肤可用于提升水下机器人的触觉感知能力，用于探测和水下导航。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：
智能军服和防弹衣 ：清华大学航天航空学院和柔性电子技术实验室张一慧教授课题组研发的三维电子皮肤，可用于智能军服和防弹衣。这种电子皮肤能够实时监测子弹、弹片或其他尖锐物体对装备的冲击情况，评估防护装备的防护效果和性能，为军事人员提供更安全的保护 。隐形飞机和潜艇 ：电子皮肤技术可用于隐形飞机和潜艇，提高其对外界环境的高灵敏度感知能力，同时保持隐身性能。例如，F-35、歼-20等采用的智能蒙皮技术就是一种电子皮肤。在潜艇上，电子皮肤能够实现水下触觉信号和环境信号的一体化监测，增强潜艇的隐身能力和操作精确性 。无人机控制系统 ：电子皮肤的多模态感知能力，包括对接触力、接触位置、接近度和温度的感知，可用于无人机控制系统，提高无人机的操作灵敏度和准确性 。人形机器人 ：通过模仿人类皮肤的特性，电子皮肤可以显著提升机器人的外界感知能力，使其在医疗、救援、探险等复杂环境中进行精细化操作。例如，在手术中，医生可以佩戴电子皮肤让手术机器人获取实时信息，提高手术的精准度 。实时监测人体生理信号 ：中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员及其团队研制的柔性仿生电子皮肤，能够实时监测脉搏、心跳、喉部肌肉群震动等人体健康相关生理信号。这种技术在医疗领域有广泛应用前景，也可用于军事领域的生理状态监测 。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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