突破性进展！我国科学家开发出一种新型电子皮肤，可比拟人类皮肤
新型电子皮肤轻薄柔软，集成度高（图片来源：参考文献 1）新型电子皮肤电路概念图（图片来源：参考文献 1）版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷
想象一下，如果你能给机器人穿上一件“魔法外衣”，让它能像人类一样感受触摸、压力和摩擦，那会是什么样子？这已不再是科幻小说中的遐想，它已成为现实。
清华大学的科学家们最近在电子皮肤领域取得了突破性进展， 他们开发出了一种具有仿生三维架构的新型电子皮肤，为未来的机器人技术和医疗设备带来了革命性的可能。
仿生三维电子皮肤实物图。图片来源：清华大学
模仿自然的奇迹：电子皮肤的诞生
电子皮肤是一种模仿人类皮肤功能的高科技传感器系统。它就像是机器人或智能设备的第二层皮肤，能够感知外界的各种刺激。
长期以来，科学家们一直在努力让电子皮肤更接近人类皮肤的复杂功能。而清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室的张一慧教授及其团队，从人类皮肤的精妙结构中获得了灵感，实现了电子皮肤从平面到立体的飞跃。
我们的皮肤之所以如此神奇，是因为它不是一个简单的平面结构。想象一块三层的海绵蛋糕，它有蓬松的表面、松软的内部和稍微紧实的底部。我们的皮肤也是类似的三层结构：表皮、真皮和皮下组织。每一层都有不同的功能和特性。
清华大学的科学家们正是基于这种复杂的结构，设计出了一种全新的电子皮肤，它不仅模仿了人类皮肤的三层结构，还复制了皮肤内部感受器的三维分布。
皮肤的结构与仿生三维电子皮肤概念图（图片来源：参考文献 1）
仿生三维电子皮肤的秘密：
精妙结构与超凡感知
清华大学研发的这种新型电子皮肤，就像人类皮肤一样，也由表皮、真皮和皮下组织三层组成。
表皮层就像我们皮肤的最外层，柔软而敏感，能够快速感知轻微的触碰。真皮层位于中间，包含了大部分传感元件，负责精确识别压力和摩擦力。这一层中的传感器采用了独特的八臂笼状结构设计，使其能更好地捕捉外部刺激。皮下组织层则是最内层，主要感知皮肤的整体变形，就像我们感觉到皮肤被拉伸或压缩。
在这个精巧的三层结构中，科学家们巧妙地设计了传感器的分布，模仿了人类皮肤中默克尔细胞和鲁菲尼氏小体的空间分布。
力传感单元位于“笼子”的上部，更靠近皮肤表面，对外部压力极其敏感，就像我们皮肤中的默克尔细胞，能够精确感知轻微的触摸。
应变传感器则位于底部的拱形结构上，与力传感单元保持一定距离，这种设计使得应变传感器主要对皮肤的拉伸敏感，而不受压力干扰，类似于人类皮肤中的鲁菲尼氏小体。
这种独特的三维布局让电子皮肤能够同时感知并区分压力、剪切力和应变，就像我们的皮肤一样。 更令人惊叹的是，这种新型电子皮肤的感知精度可以达到 0.1 毫米，这意味着它几乎可以感知到一根头发丝放在上面的位置，这种精度已经非常接近人类皮肤的极限了。
智能解码与深度学习：
赋予电子皮肤“思考”能力
仅仅有精密的传感器是不够的，就像我们的大脑需要解读神经传来的信号一样，电子皮肤也需要一个“神经中枢”来理解这些数据。清华大学的科学家们使用了先进的深度学习算法， 让计算机能够快速处理和解读这些复杂的信号。这就好比是教会了电子皮肤如何“思考”和“理解”它所感受到的世界。
通过这种方法，电子皮肤不仅可以感知物体的存在，还能判断物体的硬度和形状。 想象一下，机器人仅仅通过触摸就能分辨出苹果是新鲜的还是已经变软了，这是多么神奇的能力！这种技术为未来的智能设备开辟了无限可能。
在医疗领域，新型电子皮肤可能会被用于制作超级灵敏的医疗手套，帮助医生进行早期诊断。它可能能够感知到普通人难以察觉的微小肿块或组织异常。张一慧教授提到，这种电子皮肤还可以像创可贴一样贴在人的皮肤上，实时监测血氧等健康数据，为我们提供一个随身携带的健康监测系统。
未来展望：从科幻到现实的跨越
清华大学科研团队的这项突破，不仅是中国科技实力的一次有力展现，更是人类探索自身奥秘、挑战自然极限的又一里程碑。 这种电子皮肤技术在多个领域都有广阔的应用前景。
在智能假肢领域，它可能让失去肢体的人重新获得触觉，感受爱人手的温度或孩子脸颊的柔软。在工业领域，装配线上的机器人可以更加小心翼翼地处理脆弱的零件，就像有着灵巧双手的工匠一样。
在人机交互方面，我们的智能设备可能变得更加智能和人性化，能够感知我们的情绪状态，或在虚拟现实中提供真实的触感体验。
尽管这项技术非常令人兴奋，但将其大规模应用于现实世界还面临一些挑战，如耐久性、成本、能源供应和数据处理等问题。然而，这些挑战并不能掩盖这项技术的巨大潜力。也许在不久的将来，当你和机器人握手时，对方的手是能够用温柔的触感回应你的“智能皮肤”。
参考文献
[1]Weichen WANG et. al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin
策划制作
出品丨科普中国
作者丨李金娟 早稻田大学
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来、林林
仿人类三维电子皮肤问世
【瞧！我们的前沿科技】
光明日报北京6月5日电 记者邓晖 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在国际上首次研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤，可在物理层面实现对压力、摩擦力和应变三种力学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。相关研究成果日前在国际学术期刊《科学》发表。
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，在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解耦感知。
据悉，这一新型电子皮肤受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，其结构中的力与应变传感器的三维分布，效仿了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。与皮肤结构类似，该三维电子皮肤也由“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的距离，因此只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。
课题组基于这种具有三维架构的电子皮肤，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。
“电子皮肤实际上是模仿人类皮肤感知功能的一种新型传感器，未来可装于医疗机器人指尖进行早期诊疗，还可像创可贴一样贴在人的皮肤上实时监测血氧等健康数据。”张一慧认为，这款仿生三维电子皮肤为电子皮肤的研发和应用提供了新路径，在工业机器人、生物医疗、人机交互等多方面具有广阔应用前景。
《光明日报》（2024年06月06日 08版）
来源： 光明网-《光明日报》
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