Science重磅：清华大学张一慧团队成功开发模拟人类皮肤的3D电子皮肤，助力人形机器人开发

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

人类能够完成灵巧的操作、环境探索以及对触摸物体物理属性的感知等其他触觉任务，这是由于皮肤能够分离感知多模态机械刺激的能力以及大脑对感知信号的学习和处理能力 。

人类皮肤对机械刺激的感知源于机械感受器的转换作用，将外部力量转化为电信号。尽管模仿那些机械感受器的空间分布可以使电子皮肤能够解耦并 独立感知 正应力 和剪切力以及应变，但这一目标尚未实现。

2024年5月31日，清华大学张一慧团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为： A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation 的研究论文 。

该研究设计、制造并使用人工智能指导的信号处理开发了一种模拟人体机械感受器的电子皮肤——三维架构电子皮肤（简称3DAE-Skin） ，其力和应变传感元件具有与人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢相似的三维分布模式。 3DAE-Skin具有出色的分离式传感性能，可同时测量物体的模量和曲率，将3DAE-Skin与由深度学习算法辅助的数据采集/处理模块集成，开发出了一种触觉系统 。研究团队还演示了其对具有不同形状和新鲜度的水果、面包和蛋糕的快速模量测量 ，可通过简单的触摸可同时实现对 弹性模量和主曲率分量的定量测量。

该研究开发的触觉系统还能够实时定量评估接触状态和物体信息，这对于人机交互、人形机器人、智能假肢和自动检测仪器等领域具有重要意义。

张一慧教授

张一慧教授长期从事固体力学、三维微纳结构组装等方面的研究，提出了利用屈曲力学实现三维微纳结构组装的原创思想，建立后屈曲分析的双摄动展开理论模型和三维组装的逆向设计方法，发展基于多场驱动及复杂加载路径的组装策略和实验方法，形成了一套可适用于各种高性能材料和复杂几何拓扑的三维微纳结构组装方法体系，并研制出多种具有新功能的三维微纳器件和微型机器人；提出了基于多级点阵结构的网状软材料设计新概念，建立其非线性细观力学大变形模型，发展出可精确匹配生物组织力学性能的仿生材料，以及具有超大负溶胀、热致剪切等非常规性质的力学超材料，为生物集成器件的发展和应用提供了一个重要平台。

生物学研究表明，我们的皮肤对机械刺激的感觉起源于皮肤中机械感受器的信号转换，将施加到皮肤上的力转换为沿着轴突传播到中枢神经系统（CNS）的电信号。Merkel细胞和Ruffini末梢是两种慢速适应的机械感受器，分别位于表皮的底部和真皮内，在三维空间中以密集的阵列分布。 由于Merkel细胞（由真皮中的胶原纤维网络支持）位于皮肤表面附近，因此它们对施加到皮肤上的力非常敏感，因为施加的应力在加载区域迅速衰减。 与Merkel细胞相比，Ruffini末梢分布得离皮肤表面更远，因此即使在皮肤本身被拉伸的情况下，其对外部力量（例如压力）的敏感度也不如Merkel细胞 。 由于机械感受器在三维空间中的这种分布模式，Merkel细胞和Ruffini末梢能够分别有效地感知外部力量和皮肤的应变 。

模拟人类皮肤上机械感受器的上述三维空间分布，让开发出能够独立感知 正应力 /剪切力和应变的人工电子皮肤成为可能，但由于难以实现具有良好控制的三维分布的复杂三维电子装置，因此这一过程极具挑战性。

尽管已经报道了许多令人兴奋的电子皮肤开发成果，例如表皮电子学、仿生皮肤电子系统、皮肤集成电子系统、具有固有可拉伸电子组件的电子皮肤以及具有多参数传感和触觉接口的电子皮肤，但迄今为止还没有一种能够模拟机械感受器的三维空间分布。 此外，在接近人体皮肤的空间分辨率下同时测量 正应力 、剪切力和拉伸应变的独立测量方法也尚未实现 。

在这项最新研究中，研究团队报告了一种仿生设计的三维架构电子皮肤（3DAE-Skin），采用类似人类皮肤的多层结构，其中力和应变传感元件采用三维布局，模拟皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢 。

微细 加工技 术可以制造出由多层叠加 力和应变传感器阵列组成的、通过精确控制机械组装转换为仿生三维结构的电子设备。 三维架构器件的异质封装策略确保力和应变传感元件周围的软材料具有与皮肤中 Merkel细胞 和Ruffini末梢 相似的机械性能。 对三维架构电子皮肤（3DAE-Skin） 的实验和理论研究显示，其具有出色的分离式传感性能，可同时测量正应力、剪切力和应变。

研究团队进一步开发了 基于3DAE-Skin、数据采集电路和深度学习辅助信号处理模块的触觉系统，可通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。

最后，研究团队还演示了该触觉系统对具有不同形状和新鲜度的水果、面包和蛋糕的快速模量测量，可通过简单的触摸可同时实现对弹性模量和主曲率分量的定量测量。

总的来说，该研究开发出了一种模拟人类皮肤中Merkel细胞和Ruffini末梢的三维空间排列及皮肤多层几何/机械特性的三维架构电子皮肤（3DAE-Skin） ， 这种仿生设计利用电子皮肤能够实现对正应力/剪切力和拉伸应变的分离式式传感。

将3DAE-Skin与由深度学习算法辅助的数据采集/处理模块集成，可以开发出一种触觉系统，能够以与人类皮肤相当的空间分辨率感知正应力/剪切力，并通过简单触摸同时测量物体的模量和曲率。

对水果、面包和蛋糕等具有不同形状的物体的模量测量演示表明，该技术可用于评估随着时间变化而改变刚度的食物。 该系统还能够实时定量评估接触状态和物体信息，这对于人机交互、人形机器人、智能假肢和自动检测仪器等领域具有重要意义。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556