6月5日，新華社以《祝賀我國科學家！》為標題報道，清華大學航天航空學院、柔性電子技術實驗室張一慧教授課題組在國際上首次研制出具有仿生三維架構的新型電子皮膚系統(tǒng)，可在物理層面實現(xiàn)對壓力、摩擦力和應變?nèi)N力學信號的同步解碼和感知，對壓力位置的感知分辨率約為0.1毫米，接近于真實皮膚。該成果日前在國際學術期刊《科學》雜志上發(fā)表。

張一慧介紹，皮膚之所以能敏銳感知力學信號，是因為其內(nèi)部有很多高密度排列且具有三維空間分布的觸覺感受細胞，能準確感知外界刺激。在電子皮膚研制中，要能同時識別和解碼壓力、摩擦力和應變信號，實現(xiàn)準確的觸覺感知，極具挑戰(zhàn)。

團隊首次提出具有三維架構的電子皮膚設計概念,研制出的仿生三維電子皮膚由“表皮”“真皮”和“皮下組織”構成，各部分質(zhì)地均與人體皮膚中的對應層相近。傳感器及電路在皮膚內(nèi)深淺分布，其中部分傳感器更靠近皮膚表面，對外部作用力高度敏感，分布于深處的傳感器則對皮膚變形更為敏感。

“比如我們一塊食指指尖大小的電子皮膚內(nèi)就擁有240個金屬傳感器，這些傳感器每個僅有兩三百微米，其空間分布上與人體皮膚中觸覺感受細胞的分布相近。”張一慧說，當電子皮膚觸摸外界物體時，其內(nèi)部眾多傳感器會協(xié)同工作。傳感器收集到的信號會經(jīng)過系列傳輸和提取處理，再結合深度學習算法，使電子皮膚能精確感知物體的軟硬和形狀。

“電子皮膚實際上是模仿人類皮膚感知功能的一種新型傳感器，未來可裝于醫(yī)療機器人指尖進行早期診療，還可像創(chuàng)口貼一樣貼在人的皮膚上實時監(jiān)測血氧、心率等健康數(shù)據(jù)。”張一慧認為，這款仿生三維電子皮膚為電子皮膚的研發(fā)和應用提供了新路徑，在工業(yè)機器人、生物檢測、生物醫(yī)療、人機交互等多方面具有廣闊應用前景。

清華大學航天航空學院、柔性電子技術實驗室（柔電國重）張一慧教授課題組提出了一種具有三維架構的新型電子皮膚設計概念，其結構中的力與應變傳感器的三維分布效仿了人類皮膚中梅克爾細胞（Merkel）和魯菲尼氏小體（Ruffini）的空間分布形式，使該器件能夠從物理層面解耦地測量壓力、剪切力和應變（圖1）。與皮膚結構類似，該三維電子皮膚也由“表皮”“真皮”和“皮下組織”組成，且各層的有效模量與人體皮膚中的對應層相近。傳感器及電路主要位于“真皮”層中，其中，力傳感單元設計為八臂籠狀結構，傳感器位于籠狀結構上部，更靠近電子皮膚表面，因而對外部作用力高度敏感；應變傳感器位于器件底部的拱形結構上，在垂直高度上與力傳感單元上部的傳感器保持一定的距離，因此只對面內(nèi)的拉伸應變敏感，幾乎不會受壓力的干擾。 課題組基于這種具有三維架構的電子皮膚，結合深度機器學習算法，研制出只需通過觸摸便可同時測量物體模量及局部主曲率的先進觸覺系統(tǒng)（圖2），展示了其在判別食物新鮮程度等真實場景中的應用，并深入探討了其在物理量定量測量（如摩擦系數(shù)等）、人機交互等重要領域的應用潛力。

5月30日，相關研究成果以“仿人類皮膚機械感知功能的三維架構電子皮膚”（A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation）為題，在《科學》（Science）發(fā)表。 張一慧為論文通訊作者，清華大學航天航空學院2018級博士生劉志、2021級博士生胡笑男和柔性電子技術實驗室副研究員柏韌恒（航院已出站博士后）為論文共同第一作者。論文作者還包括航天航空學院2023級博士生羊佑舟、2020級博士生徐世威、2019級博士生沈張明、2017級博士生程旭（現(xiàn)為南洋理工大學博士后），以及航天航空學院博士后龐文博、劉卿、王月皎、王書恒。研究得到科學探索獎、國家自然科學基金委原創(chuàng)探索計劃項目與創(chuàng)新群體項目等的資助。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

審核編輯 黃宇