來(lái)源：生物世界 清華大學(xué)張一慧團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation 的研究論文。 該研究設(shè)計(jì)、制造并使用人工智能指導(dǎo)的信號(hào)處理開(kāi)發(fā)了一種模擬人體機(jī)械感受器的電子皮膚——三維架構(gòu)電子皮膚（簡(jiǎn)稱(chēng)3DAE-Skin），其力和應(yīng)變傳感元件具有與人類(lèi)皮膚中的Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢相似的三維分布模式。3DAE-Skin具有出色的分離式傳感性能，可同時(shí)測(cè)量物體的模量和曲率，將3DAE-Skin與由深度學(xué)習(xí)算法輔助的數(shù)據(jù)采集/處理模塊集成，開(kāi)發(fā)出了一種觸覺(jué)系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)還演示了其對(duì)具有不同形狀和新鮮度的水果、面包和蛋糕的快速模量測(cè)量，可通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性模量和主曲率分量的定量測(cè)量。 該研究開(kāi)發(fā)的觸覺(jué)系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)定量評(píng)估接觸狀態(tài)和物體信息，這對(duì)于人機(jī)交互、人形機(jī)器人、智能假肢和自動(dòng)檢測(cè)儀器等領(lǐng)域具有重要意義。 張一慧教授長(zhǎng)期從事固體力學(xué)、三維微納結(jié)構(gòu)組裝等方面的研究，提出了利用屈曲力學(xué)實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)組裝的原創(chuàng)思想，建立后屈曲分析的雙攝動(dòng)展開(kāi)理論模型和三維組裝的逆向設(shè)計(jì)方法，發(fā)展基于多場(chǎng)驅(qū)動(dòng)及復(fù)雜加載路徑的組裝策略和實(shí)驗(yàn)方法，形成了一套可適用于各種高性能材料和復(fù)雜幾何拓?fù)涞娜S微納結(jié)構(gòu)組裝方法體系，并研制出多種具有新功能的三維微納器件和微型機(jī)器人；提出了基于多級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀軟材料設(shè)計(jì)新概念，建立其非線(xiàn)性細(xì)觀力學(xué)大變形模型，發(fā)展出可精確匹配生物組織力學(xué)性能的仿生材料，以及具有超大負(fù)溶脹、熱致剪切等非常規(guī)性質(zhì)的力學(xué)超材料，為生物集成器件的發(fā)展和應(yīng)用提供了一個(gè)重要平臺(tái)。 生物學(xué)研究表明，我們的皮膚對(duì)機(jī)械刺激的感覺(jué)起源于皮膚中機(jī)械感受器的信號(hào)轉(zhuǎn)換，將施加到皮膚上的力轉(zhuǎn)換為沿著軸突傳播到中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的電信號(hào)。Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢是兩種慢速適應(yīng)的機(jī)械感受器，分別位于表皮的底部和真皮內(nèi)，在三維空間中以密集的陣列分布。由于Merkel細(xì)胞（由真皮中的膠原纖維網(wǎng)絡(luò)支持）位于皮膚表面附近，因此它們對(duì)施加到皮膚上的力非常敏感，因?yàn)槭┘拥膽?yīng)力在加載區(qū)域迅速衰減。與Merkel細(xì)胞相比，Ruffini末梢分布得離皮膚表面更遠(yuǎn)，因此即使在皮膚本身被拉伸的情況下，其對(duì)外部力量（例如壓力）的敏感度也不如Merkel細(xì)胞。由于機(jī)械感受器在三維空間中的這種分布模式，Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢能夠分別有效地感知外部力量和皮膚的應(yīng)變。 模擬人類(lèi)皮膚上機(jī)械感受器的上述三維空間分布，讓開(kāi)發(fā)出能夠獨(dú)立感知正應(yīng)力/剪切力和應(yīng)變的人工電子皮膚成為可能，但由于難以實(shí)現(xiàn)具有良好控制的三維分布的復(fù)雜三維電子裝置，因此這一過(guò)程極具挑戰(zhàn)性。 盡管已經(jīng)報(bào)道了許多令人興奮的電子皮膚開(kāi)發(fā)成果，例如表皮電子學(xué)、仿生皮膚電子系統(tǒng)、皮膚集成電子系統(tǒng)、具有固有可拉伸電子組件的電子皮膚以及具有多參數(shù)傳感和觸覺(jué)接口的電子皮膚，但迄今為止還沒(méi)有一種能夠模擬機(jī)械感受器的三維空間分布。此外，在接近人體皮膚的空間分辨率下同時(shí)測(cè)量正應(yīng)力、剪切力和拉伸應(yīng)變的獨(dú)立測(cè)量方法也尚未實(shí)現(xiàn)。 在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種仿生設(shè)計(jì)的三維架構(gòu)電子皮膚（3DAE-Skin），采用類(lèi)似人類(lèi)皮膚的多層結(jié)構(gòu)，其中力和應(yīng)變傳感元件采用三維布局，模擬皮膚中的Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢。 微細(xì)加工技術(shù)可以制造出由多層疊加力和應(yīng)變傳感器陣列組成的、通過(guò)精確控制機(jī)械組裝轉(zhuǎn)換為仿生三維結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備。三維架構(gòu)器件的異質(zhì)封裝策略確保力和應(yīng)變傳感元件周?chē)能洸牧暇哂信c皮膚中Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢相似的機(jī)械性能。對(duì)三維架構(gòu)電子皮膚（3DAE-Skin）的實(shí)驗(yàn)和理論研究顯示，其具有出色的分離式傳感性能，可同時(shí)測(cè)量正應(yīng)力、剪切力和應(yīng)變。 研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于3DAE-Skin、數(shù)據(jù)采集電路和深度學(xué)習(xí)輔助信號(hào)處理模塊的觸覺(jué)系統(tǒng)，可通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸同時(shí)測(cè)量物體的彈性模量和局部主曲率分量。 最后，研究團(tuán)隊(duì)還演示了該觸覺(jué)系統(tǒng)對(duì)具有不同形狀和新鮮度的水果、面包和蛋糕的快速模量測(cè)量，可通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性模量和主曲率分量的定量測(cè)量。 總的來(lái)說(shuō)，該研究開(kāi)發(fā)出了一種模擬人類(lèi)皮膚中Merkel細(xì)胞和Ruffini末梢的三維空間排列及皮膚多層幾何/機(jī)械特性的三維架構(gòu)電子皮膚（3DAE-Skin），這種仿生設(shè)計(jì)利用電子皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)正應(yīng)力/剪切力和拉伸應(yīng)變的分離式式傳感。 將3DAE-Skin與由深度學(xué)習(xí)算法輔助的數(shù)據(jù)采集/處理模塊集成，可以開(kāi)發(fā)出一種觸覺(jué)系統(tǒng)，能夠以與人類(lèi)皮膚相當(dāng)?shù)目臻g分辨率感知正應(yīng)力/剪切力，并通過(guò)簡(jiǎn)單觸摸同時(shí)測(cè)量物體的模量和曲率。 對(duì)水果、面包和蛋糕等具有不同形狀的物體的模量測(cè)量演示表明，該技術(shù)可用于評(píng)估隨著時(shí)間變化而改變剛度的食物。該系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)定量評(píng)估接觸狀態(tài)和物體信息，這對(duì)于人機(jī)交互、人形機(jī)器人、智能假肢和自動(dòng)檢測(cè)儀器等領(lǐng)域具有重要意義。