清华大学柔性传感器最新成果登《Science》！获新华社等权威媒体报道！

6月5日，新华社以《祝贺我国科学家！》为标题报道，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在国际上首次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。该成果日前在国际学术期刊《科学》杂志上发表。

张一慧介绍，皮肤之所以能敏锐感知力学信号，是因为其内部有很多高密度排列且具有三维空间分布的触觉感受细胞，能准确感知外界刺激。在电子皮肤研制中，要能同时识别和解码压力、摩擦力和应变信号，实现准确的触觉感知，极具挑战。

团队首次提出具有三维架构的电子皮肤设计概念,研制出的仿生三维电子皮肤由“表皮”“真皮”和“皮下组织”构成，各部分质地均与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路在皮肤内深浅分布，其中部分传感器更靠近皮肤表面，对外部作用力高度敏感，分布于深处的传感器则对皮肤变形更为敏感。

“比如我们一块食指指尖大小的电子皮肤内就拥有240个金属传感器，这些传感器每个仅有两三百微米，其空间分布上与人体皮肤中触觉感受细胞的分布相近。”张一慧说，当电子皮肤触摸外界物体时，其内部众多传感器会协同工作。传感器收集到的信号会经过系列传输和提取处理，再结合深度学习算法，使电子皮肤能精确感知物体的软硬和形状。

“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，还可像创口贴一样贴在人的皮肤上实时监测血氧、心率等健康数据。”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、生物检测、生物医疗、人机交互等多方面具有广阔应用前景。

清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室（柔电国重）张一慧教授课题组提出了一种具有三维架构的新型电子皮肤设计概念，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（Merkel）和鲁菲尼氏小体（Ruffini）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（图1）。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（图2），展示了其在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用，并深入探讨了其在物理量定量测量（如摩擦系数等）、人机交互等重要领域的应用潜力。

5月30日，相关研究成果以“仿人类皮肤机械感知功能的三维架构电子皮肤”（A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation）为题，在《科学》（Science）发表。 张一慧为论文通讯作者，清华大学航天航空学院2018级博士生刘志、2021级博士生胡笑男和柔性电子技术实验室副研究员柏韧恒（航院已出站博士后）为论文共同第一作者。论文作者还包括航天航空学院2023级博士生羊佑舟、2020级博士生徐世威、2019级博士生沈张明、2017级博士生程旭（现为南洋理工大学博士后），以及航天航空学院博士后庞文博、刘卿、王月皎、王书恒。研究得到科学探索奖、国家自然科学基金委原创探索计划项目与创新群体项目等的资助。

论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

审核编辑 黄宇