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近日，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Science上以研究論文形式發表了題為“A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation”的研究成果。受人類皮膚中機械感受器空間分佈形式的啟發，該課題組研製了一種具有三維架構的新型電子皮膚（簡稱“3DAE-Skin”），其結構中的力與應變感測器的三維分佈效仿了人類皮膚中Merkel細胞和Ruffini小體的空間分佈形式，使該器件能夠從物理層面解耦地測量壓力、剪下力和應變。課題組基於該器件（3DAE-Skin），結合深度學習演算法，研製出只需透過觸控便可同時測量物體模量及區域性主曲率的先進觸覺系統，展示了其在判別食物新鮮程度等真實場景中的應用，並深入探討了其在物理量定量測量（如摩擦係數等）、人機互動等重要領域的應用潛力。
在電子皮膚、機器人等前沿科學技術領域，為復刻人類皮膚的感知功能，科學家們開展了大量研究工作，也取得了豐碩的成果。然而，目前尚未有電子皮膚能夠復現人體皮膚中機械感受器的細微觀三維空間分佈形式，從而像皮膚一樣在物理層面實現壓力、剪下力、應變等多種機械訊號的同步解耦感知。
在這項最新研究工作中，研究人員受人類皮膚中機械感受器的空間分佈特徵啟發，提出了一種具有仿生三維架構的電子皮膚（3DAE-Skin）設計概念（如圖1所示）。
圖1. 3DAE-Skin的仿生設計概念
人類皮膚由表皮、真皮和皮下組織三部分組成，其中包含兩種慢機械感受器——Merkel細胞和Ruffini小體。Merkel細胞位於表皮基底層，靠近皮膚表面，主要感知外界對皮膚表面的作用力；而Ruffini小體位於真皮深處，遠離皮膚表面，因此，其對外界作用力不敏感，主要感知皮膚自身的拉伸變形。
與皮膚結構類似，3DAE-Skin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，其中，感測器及電路主要位於“真皮”層中。3DAE-Skin中包含力感測單元及應變感測器，其空間佈局效仿皮膚中的Merkel細胞和Ruffini小體。力感測單元設計為八臂籠狀結構，其感測器位於籠狀結構上部，更靠近電子皮膚表面，因而對外部作用力高度敏感。應變感測器位於器件底部的拱形結構上，在垂直高度上與力感測單元上部的感測器保持一定的距離，因此其只對面內的拉伸應變敏感，幾乎不會受壓力的干擾。
圖2. 3DAE-Skin的多層結構，包含感測器陣列和多層封裝
圖2展示了3DAE-Skin的詳細結構組成：三維電路、基底和封裝。三維電路透過平面微加工技術製造，並透過力學引導三維組裝方法進行組裝。如圖3所示，基底在回彈過程中透過粘接點帶動平面前驅體，使其發生屈曲變形，實現三維器件組裝。封裝則為三維電路提供了保護和支撐。與此同時，透過對不同封裝層材料模量的調控（即在不同封裝層中對應選取與人體皮膚相應分層模量相近的材料配比），可使得3DAE-Skin中力感測單元及應變感測器能夠處於與Merkel細胞和Ruffini小體相似的力學環境中，以更好地復刻皮膚的機械訊號感知功能。
圖3. 3DAE-Skin三維電路的組裝過程（有限元模擬）
3DAE-Skin中的三維電路是由5×5個力感測單元和排列其間的40個應變感測單元（沿x、y方向各有20個）組成的陣列。力感測單元為較高的八臂籠狀結構，八條臂的高處各佈置了一個感測器。這八個感測器的共模訊號反映了該單元上壓力的大小，而差模訊號則反映了該單元上剪下力的大小與方向。應變感測單元為較矮的拱形結構，拱形結構的中央佈置有感測器，其測量值反映了3DAE-Skin在該區域性的應變。
圖4展示了3DAE-Skin的三維電路、力/應變感測器和過孔。力感測單元的中心距為2.5 mm，籠狀力感測器距離基底的高度約為600 μm，而應變感測單元約為250 μm。3DAE-Skin在僅指尖大小的區域內，集成了200個力感測器和40個應變感測器，其密度與人類皮膚感受器相當。
圖4. （A）感測器陣列；（B）感測單元；（C/D）力/應變感測器；（E）過孔。
比例尺：（A）2 mm；（B）500 μm；（C-E）50 μm
3DAE-Skin中的三維電路由平面微加工技術製造，共有9層。其中，4層金屬層包含了用於力/應變感測的應變柵與行列導線，而5層PI層被用作保護層或隔層。部分PI隔層包含過孔（VIA），以實現不同層電路之間的互聯。封裝前的三維電路如圖5A所示。
圖5. （A）封裝前的3DAE-Skin（B）完全封裝（未移除表面保護層）的3DAE-Skin
比例尺：（A）5 mm；（B）2 cm
圖5B展示了完全封裝（未移除表面保護層）的3DAE-Skin。在3DAE-Skin的封裝設計中，採用了異質封裝策略。具體而言，在八臂籠狀結構的力感測單元內部，填充了高模量的矽膠，以對力感測器提供穩固的支撐，並有效減弱拉伸變形對感測器測量的干擾。而在其他區域，則使用了一系列與皮膚各層模量和厚度相近的矽膠進行封裝，從而使3DAE-Skin的宏觀力學效能接近真實皮膚。單軸拉伸試驗測得3DAE-Skin的等效拉伸模量約為194 kPa（圖6A），壓痕試驗測得3DAE-Skin兩個典型部位的等效壓縮模量分別為225 kPa和119 kPa（圖6B、C），這些結果均位於人體皮膚模量範圍內。
圖6. 3DAE-Skin的力學效能。比例尺：5 mm
實驗和有限元結果表明，3DAE-Skin具有良好的拉伸性，能夠在扭轉、彎曲和拉伸等變形下，依然保持穩定的效能而不受損壞（圖7）。這一良好的拉伸性使3DAE-Skin可以共形貼附在假手的指尖上（圖8）。
圖7. 3DAE-Skin經歷大變形。（A）經歷斜向拉伸變形；（B）斜拉變形中金屬層的應變分佈；（C）動態斜拉變形
圖8. 3DAE-Skin貼附在仿生手的指尖。比例尺：5 mm
圖9展示了3DAE-Skin對壓力、剪下力和應變的感測效能。力感測單元對壓力載荷的靈敏度為5×10-5 kPa-1（圖9B），其線性響應範圍覆蓋至約80 kPa（圖9B），對撤去60
kPa載荷的響應時間約為0.25秒（圖9B中小圖），且在3000次60 kPa的加解除安裝迴圈中保持穩定（圖9C）。力感測單元對剪下載荷具有優異的感測效能，對剪下力的大小和方向的測量平均相對誤差僅為約0.023（圖9D、E），位於國內外研究的領先水平。應變感測單元的靈敏度約為0.02（圖9F），在經歷10000次單軸拉伸迴圈（應變幅度20%）後仍保持穩定。
kPa載荷的響應時間約為0.25秒（圖9B中小圖），且在3000次60 kPa的加解除安裝迴圈中保持穩定（圖9C）。力感測單元對剪下載荷具有優異的感測效能，對剪下力的大小和方向的測量平均相對誤差僅為約0.023（圖9D、E），位於國內外研究的領先水平。應變感測單元的靈敏度約為0.02（圖9F），在經歷10000次單軸拉伸迴圈（應變幅度20%）後仍保持穩定。
圖9. 3DAE-Skin對壓力、剪下力和應變的感測效能。（A）力/應變感測單元及載入示意；（B）準靜態壓力相應和動態響應；（C）迴圈壓力響應；（D、E）剪下力響應；（F）準靜態應變響應
仿生三維架構設計讓3DAE-Skin能夠從物理層面解耦地測量壓力、剪下力和應變，研究人員透過有限元分析，揭示其解耦感測的機理。當3DAE-Skin受到壓縮載荷時，其內部的應變從受力點迅速向深處衰減。由於力感測器非常靠近皮膚表面，加之籠狀結構內填充的較高模量的封裝材料可在壓縮載荷下起到很好的支撐作用，能夠分擔大部分壓力，所以力感測器對壓力的敏感程度遠超過位於較深處的應變感測器。而當3DAE-Skin受到拉伸時，由於較剛硬的籠狀結構的應變隔離效應，拉伸變形幾乎全部發生在應變感測器上，而力感測器則幾乎不變形。
圖10. 3DAE-Skin中的金屬層在不同工況下的應變分佈。（A）施加60 kPa壓力；（B）施加15%單軸拉伸應變
圖10A和B分別展示了3DAE-Skin在承受60 kPa壓力和15%拉伸應變時的應變分佈情況。可以看出，力感測器只有在受到壓力時才發生明顯變形，而幾乎不受應變的影響；相反，應變感測器在受壓時變形很小，僅在拉伸應變作用下才發生顯著變形。這一對比揭示了3DAE-Skin具備解耦感測能力的機理。
此外，從實驗中也可以直觀地看出解耦感測的效果。圖11展示了3DAE-Skin的一個感測單元在依次受到純壓、壓剪耦合、純單軸拉伸、拉壓耦合、以及拉壓剪耦合等載入條件下的實驗測量結果（訊號響應詳見圖12），進一步證明了其出色的解耦感測效能。
圖11. 3DAE-Skin對壓力、剪下力和應變的解耦感測
圖12. 3DAE-Skin對壓力、剪下力和應變的解耦響應
3DAE-Skin的解耦感測效能為其復刻人類複雜觸覺感知功能奠定了堅實基礎。研究人員將3DAE Skin與資料採集電路、訊號處理模組整合，構建了一套觸覺系統（圖13）。其中，資料採集電路可以在消除串擾的情況下獨立採集陣列中共240個感測器的訊號，而後續的訊號處理模組能夠根據採集到的資料，計算出壓力/剪下力和應變的空間分佈，並將其即時呈現在時空對映圖（Spatiotemporal map）中。此外，訊號處理模組中的深度神經網路（DNN）能夠定量解碼觸覺資訊，例如可以超解析度地預測壓力的施加位置，或精準識別接觸物體的彈性模量與曲率。
圖13. 3DAE-Skin觸覺系統的工作機制
為了直觀呈現3DAE-Skin測得的壓力/剪下力和應變分佈，研究人員引入了時空對映圖作為視覺化工具。其中，25個彩色八邊形表示力訊號，每個八邊形的顏色（或大小）表示壓力的大小，而每個八邊形上的黑色箭頭（或每個八邊體自身的畸變）表示剪下力的大小和方向。相鄰八邊形之間的水平和垂直間距表示該區域性沿x和y方向的應變。八邊形中的紅色虛線是基線，標記了不受力時八邊形的初始形態。為了更好的視覺化效果，對應變做了適當放大。
圖14、15中的時空對映圖直觀展示了3DAE-Skin在與3D列印的三個浮雕字母T、H、U互動（圖14A）時，壓力/剪下力和應變的空間分佈與動態變化。當接觸字母T時，對映圖直觀地展現出了壓力分佈的不均勻性（圖14B）；當按壓在字母H上滑動時，對映圖不僅捕捉到了壓力分佈，還準確地反映了摩擦過程中字母H上既壓又剪的複雜受力狀態（圖14C）；當按壓字母U上扭轉時，對映圖透過箭頭清晰地描繪了剪下力在字母U上的漩渦狀空間分佈（圖14D）。這些樣例生動地證明了3DAE-Skin對相互耦合的壓力/剪下力在空間的複雜分佈具有出色的分辨能力。
圖14. 基於時空對映圖的觸覺資訊視覺化。（A）非均勻地按壓字母T；（B）按壓字母H並滑動；（C）按壓字母U並扭轉
圖15. 3DAE-Skin觸覺系統的時空對映
除了時空對映之外，3DAE-Skin觸覺系統還透過深度學習方法進一步提升了其功能。如圖16所示，3DAE-Skin觸覺系統實現了基於DNN的空間超解析度感測，其對施力位置的空間解析度由1.086 mm（線性插值法）提升至0.117 mm（使用DNN），這已經非常接近人類指尖對力的位置分辨能力。
圖16. 3DAE-Skin觸覺系統的空間超解析度感測。（A）用於資料採集的載入裝置；（B）用於超解析度感測的DNN模型示意；（C）DNN模型對施力位置的預測結果
3DAE-Skin觸覺系統的功能並不僅侷限於時空對映和超解析度感測，其最顯著的優勢在於其能夠同時預測物體的彈性模量和局部曲率。預測模量與曲率的能力對智慧假肢領域意義重大，它將極大地提高仿生手在物體識別方面的精確度，使之更接近於擁有人類的豐富觸覺感知能力。然而，儘管已有許多對電子皮膚測量物體模量或曲率的研究，但它們往往侷限於固定形狀或材質的物體。這主要是因為傳統電子皮膚所能獲取的資訊量有限，無法充分捕捉物體在不同力學條件下的變形特徵。然而，3DAE-Skin能夠憑藉其應變測量能力，獲得高質量的額外資訊，從而突破了這一侷限。
圖17. 3DAE-Skin觸控四種具有不同模量/形狀組合的樣品時的觸覺資訊
圖17展示了3DAE-Skin在接觸不同模量和曲率物體時的壓力/剪下力及應變分佈。研究人員經過探索發現，僅依靠壓力分佈資訊很難同時預測物體的模量和曲率。然而，當結合接觸引起的應變後，這一難題便得到了有效解決，這也正是3DAE-Skin在這類複雜任務中表現出色的關鍵。為了獲得從壓力/剪下力和應變分佈到預測模量、曲率之間的複雜非線性關係，研究人員構建了相應的資料集，其中包含了對51種不同表面形狀（球面、橢球面、圓柱面和平面）和15種不同模量（從40 kPa到3.9 MPa）的各種樣品進行測量得到的訊號。透過對資料集進行深度學習，3DAE-Skin觸覺系統成功獲得了對模量、曲率的同時預測能力。
圖18. 3DAE-Skin觸覺系統對模量（A）和兩個主曲率（B、C）的預測效果
圖18展示了3DAE-Skin觸覺系統對測試集的模量和主曲率的預測結果。對模量的預測結果（圖18A）表明，3DAE-Skin觸覺系統能夠在40 kPa至3.9 MPa的較大範圍內，較為準確地預測不同曲率物體的彈性模量。值得注意的是，只有當模量匹配時，即被測物體的模量接近3DAE-Skin自身的模量（約194 kPa）時，系統預測的準確性才能達到最優。從機理上來說，當目標物體的彈性模量遠高於3DAE-Skin的模量時，目標物體幾乎不變形，接觸引起的拉伸應變很小，這種微弱的應變訊號難以被觸覺系統捕捉和解析，因此導致預測精度降低。當然，人類觸覺感知也有類似的侷限性，人同樣難以精確分辨極軟或極硬物體的模量差異。
3DAE-Skin觸覺系統對物體兩個主曲率的預測同樣表現優異（圖18B、C）。歸功於感測單元的高密度排列，即使對於曲率高達0.1 mm-1的物體，該系統也具有較高的預測精度。
圖19. 對不同新鮮度和形狀食物的模量與曲率測量結果
研究人員基於3DAE-Skin觸覺系統同時預測模量和曲率的能力，開發了一種獨特的應用。獼猴桃、桃子、麵包等食物的新鮮度很難透過視覺方法來評估，需要根據它們的軟硬才能判斷。因此，對於這類應用，能夠定量測量不同形狀物體模量的3DAE-Skin觸覺系統具有顯著優勢。研究人員用3DAE-Skin觸覺系統測量了不同的水果、麵包等多種食物在未熟和成熟、新鮮和風乾的狀態下的模量與曲率。測量結果（圖19）定量表明，這些食物在不同的新鮮度下的模量存在明顯差異。圖20、21分別展示了對不同新鮮度的李子、圓麵包的模量、曲率的預測過程與結果。
圖20. 測量未熟和成熟李子的模量和曲率
圖21. 測量新鮮和風乾圓麵包的模量和曲率
研究人員還透過定期測量，繪製了三種食物模量、曲率隨時間變化的趨勢圖（圖22）。對獼猴桃的測量結果（圖22A）反映出，果實在成熟過程中形狀幾乎不變，但會明顯變軟。實驗資料顯示，獼猴桃的模量在前6天僅呈現微小下降，但隨後迅速降低，直到第14天達到過熟狀態。相較於未熟獼猴桃，過熟獼猴桃的模量低了一個數量級。與之相反，紙杯蛋糕或牛角麵包（圖22B、C）在長期暴露於空氣中時，其質地會隨水分蒸發而變硬。測量資料顯示，紙杯蛋糕的模量在第一天就迅速增加，在第二天增加速度放緩，因為其風乾過程在最初的24小時內就已經基本完成。牛角麵包的風乾過程與之類似，且最終的硬化程度更為顯著。
圖22. 對不同食物模量和曲率的長期監測。（A）獼猴桃；（B）紙杯蛋糕；（C）牛角麵包
綜上，本工作研製了一款高度仿生的新型電子皮膚——3DAE-Skin。3DAE-Skin在三維架構上模仿了人類皮膚中機械感受器的三維分佈，從而能夠解耦測量壓力、剪下力和應變。3DAE-Skin觸覺系統在深度學習的輔助下，不僅實現了超解析度感測，還能夠同時定量測量物體的模量和曲率。3DAE-Skin觸覺系統在測量水果、麵包等不同形狀食物新鮮度上的成功應用，說明其具備人類皮膚的複雜感知功能，預示著其在人機互動、機器人技術和自動檢測等領域擁有廣闊的應用前景。
清華大學張一慧教授是該文章的通訊作者。清華大學航院2018級博士生劉志、2021級博士生胡笑男和清華大學柔電國重副研究員柏韌恆為文章的共同第一作者。論文作者還包括航院2023級博士生羊佑舟、2017級博士生程旭（現為南洋理工大學博士後）、2020級博士生徐世威、2019級博士生沈張明，以及航院博士後龐文博、劉卿、王月皎、王書恆。該研究成果得到了國家傑出青年科學基金專案、科學探索獎、國家自然科學基金委原創探索計劃專案與創新群體專案、清華大學國強研究院基金等的資助。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556
課題組簡介：
張一慧課題組長期致力於三維微納結構組裝、軟物質與柔性結構力學、微型機器人等領域的研究，取得一系列原創性成果：提出利用屈曲力學實現三維微納結構組裝的原創學術思想，建立後屈曲分析的雙攝動展開理論和三維組裝的逆向設計方法，發展基於多場驅動及複雜載入路徑的組裝策略和實驗方法，形成了一套可適用於各種高效能材料和複雜幾何拓撲的三維微結構組裝方法體系，並在此基礎上研製出三維電子皮膚、微型軟體攀爬機器人多種具有新功能的電子器件和微型機器人；提出了基於多級點陣結構的網狀材料設計新概念，建立其非線性細觀力學大變形理論模型，製備出可精確匹配生物組織力學效能的仿生材料，以及具有超大負溶脹、可程式設計多穩態特性等非常規性質的力學超材料，並據此研製出用於生物軟組織再生的柔性網狀支架等新器件。相關成果發表於Nature、Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Reviews Materials、Science Robotics、Nature Communications、Science Advances、NSR、PNAS、JMPS、Advanced Materials等高水平期刊，其中十餘篇論文被Nature、Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Reviews Materials等期刊選為封面文章。
課題組主頁：http://yihuizhang.org/