张一慧组今日Science：基于三维架构的仿生电子皮肤

近日，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Science上以研究论文形式发表了题为“A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation”的研究成果。受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，该课题组研制了一种具有三维架构的新型电子皮肤（简称“3DAE-Skin”），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Merkel细胞和Ruffini小体的空间分布形式，使该器件能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变。课题组基于该器件（3DAE-Skin），结合深度学习算法，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，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。

在电子皮肤、机器人等前沿科学技术领域，为复刻人类皮肤的感知功能，科学家们开展了大量研究工作，也取得了丰硕的成果。然而，目前尚未有电子皮肤能够复现人体皮肤中机械感受器的细微观三维空间分布形式，从而像皮肤一样在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解耦感知。

在这项最新研究工作中，研究人员受人类皮肤中机械感受器的空间分布特征启发，提出了一种具有仿生三维架构的电子皮肤（3DAE-Skin）设计概念（如图1所示）。

图1. 3DAE-Skin的仿生设计概念

人类皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成，其中包含两种慢机械感受器——Merkel细胞和Ruffini小体。Merkel细胞位于表皮基底层，靠近皮肤表面，主要感知外界对皮肤表面的作用力；而Ruffini小体位于真皮深处，远离皮肤表面，因此，其对外界作用力不敏感，主要感知皮肤自身的拉伸变形。

与皮肤结构类似，3DAE-Skin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，其中，传感器及电路主要位于“真皮”层中。3DAE-Skin中包含力传感单元及应变传感器，其空间布局效仿皮肤中的Merkel细胞和Ruffini小体。力传感单元设计为八臂笼状结构，其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，因此其只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。

图2. 3DAE-Skin的多层结构，包含传感器阵列和多层封装

图2展示了3DAE-Skin的详细结构组成：三维电路、基底和封装。三维电路通过平面微加工技术制造，并通过力学引导三维组装方法进行组装。如图3所示，基底在回弹过程中通过粘接点带动平面前驱体，使其发生屈曲变形，实现三维器件组装。封装则为三维电路提供了保护和支撑。与此同时，通过对不同封装层材料模量的调控（即在不同封装层中对应选取与人体皮肤相应分层模量相近的材料配比），可使得3DAE-Skin中力传感单元及应变传感器能够处于与Merkel细胞和Ruffini小体相似的力学环境中，以更好地复刻皮肤的机械信号感知功能。

图3. 3DAE-Skin三维电路的组装过程（有限元仿真）

3DAE-Skin中的三维电路是由5×5个力传感单元和排列其间的40个应变传感单元（沿x、y方向各有20个）组成的阵列。力传感单元为较高的八臂笼状结构，八条臂的高处各布置了一个传感器。这八个传感器的共模信号反映了该单元上压力的大小，而差模信号则反映了该单元上剪切力的大小与方向。应变传感单元为较矮的拱形结构，拱形结构的中央布置有传感器，其测量值反映了3DAE-Skin在该局部的应变。

图4展示了3DAE-Skin的三维电路、力/应变传感器和过孔。力传感单元的中心距为2.5 mm，笼状力传感器距离基底的高度约为600 μm，而应变传感单元约为250 μm。3DAE-Skin在仅指尖大小的区域内，集成了200个力传感器和40个应变传感器，其密度与人类皮肤感受器相当。

图4. （A）传感器阵列；（B）传感单元；（C/D）力/应变传感器；（E）过孔。
比例尺：（A）2 mm；（B）500 μm；（C-E）50 μm

3DAE-Skin中的三维电路由平面微加工技术制造，共有9层。其中，4层金属层包含了用于力/应变传感的应变栅与行列导线，而5层PI层被用作保护层或隔层。部分PI隔层包含过孔（VIA），以实现不同层电路之间的互联。封装前的三维电路如图5A所示。

图5. （A）封装前的3DAE-Skin（B）完全封装（未移除表面保护层）的3DAE-Skin
比例尺：（A）5 mm；（B）2 cm

图5B展示了完全封装（未移除表面保护层）的3DAE-Skin。在3DAE-Skin的封装设计中，采用了异质封装策略。具体而言，在八臂笼状结构的力传感单元内部，填充了高模量的硅胶，以对力传感器提供稳固的支撑，并有效减弱拉伸变形对传感器测量的干扰。而在其他区域，则使用了一系列与皮肤各层模量和厚度相近的硅胶进行封装，从而使3DAE-Skin的宏观力学性能接近真实皮肤。单轴拉伸试验测得3DAE-Skin的等效拉伸模量约为194 kPa（图6A），压痕试验测得3DAE-Skin两个典型部位的等效压缩模量分别为225 kPa和119 kPa（图6B、C），这些结果均位于人体皮肤模量范围内。

图6. 3DAE-Skin的力学性能。比例尺：5 mm

实验和有限元结果表明，3DAE-Skin具有良好的拉伸性，能够在扭转、弯曲和拉伸等变形下，依然保持稳定的性能而不受损坏（图7）。这一良好的拉伸性使3DAE-Skin可以共形贴附在假手的指尖上（图8）。

图7. 3DAE-Skin经历大变形。（A）经历斜向拉伸变形；（B）斜拉变形中金属层的应变分布；（C）动态斜拉变形

图8. 3DAE-Skin贴附在仿生手的指尖。比例尺：5 mm

图9展示了3DAE-Skin对压力、剪切力和应变的传感性能。力传感单元对压力载荷的灵敏度为5×10-5kPa-1（图9B），其线性响应范围覆盖至约80 kPa（图9B），对撤去60 kPa载荷的响应时间约为0.25秒（图9B中小图），且在3000次60 kPa的加卸载循环中保持稳定（图9C）。力传感单元对剪切载荷具有优异的传感性能，对剪切力的大小和方向的测量平均相对误差仅为约0.023（图9D、E），位于国内外研究的领先水平。应变传感单元的灵敏度约为0.02（图9F），在经历10000次单轴拉伸循环（应变幅度20%）后仍保持稳定。

图9. 3DAE-Skin对压力、剪切力和应变的传感性能。（A）力/应变传感单元及加载示意；（B）准静态压力相应和动态响应；（C）循环压力响应；（D、E）剪切力响应；（F）准静态应变响应

仿生三维架构设计让3DAE-Skin能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变，研究人员通过有限元分析，揭示其解耦传感的机理。当3DAE-Skin受到压缩载荷时，其内部的应变从受力点迅速向深处衰减。由于力传感器非常靠近皮肤表面，加之笼状结构内填充的较高模量的封装材料可在压缩载荷下起到很好的支撑作用，能够分担大部分压力，所以力传感器对压力的敏感程度远超过位于较深处的应变传感器。而当3DAE-Skin受到拉伸时，由于较刚硬的笼状结构的应变隔离效应，拉伸变形几乎全部发生在应变传感器上，而力传感器则几乎不变形。

图10. 3DAE-Skin中的金属层在不同工况下的应变分布。（A）施加60 kPa压力；（B）施加15%单轴拉伸应变

图10A和B分别展示了3DAE-Skin在承受60 kPa压力和15%拉伸应变时的应变分布情况。可以看出，力传感器只有在受到压力时才发生明显变形，而几乎不受应变的影响；相反，应变传感器在受压时变形很小，仅在拉伸应变作用下才发生显著变形。这一对比揭示了3DAE-Skin具备解耦传感能力的机理。

此外，从实验中也可以直观地看出解耦传感的效果。图11展示了3DAE-Skin的一个传感单元在依次受到纯压、压剪耦合、纯单轴拉伸、拉压耦合、以及拉压剪耦合等加载条件下的实验测量结果（信号响应详见图12），进一步证明了其出色的解耦传感性能。

图11. 3DAE-Skin对压力、剪切力和应变的解耦传感

图12. 3DAE-Skin对压力、剪切力和应变的解耦响应

3DAE-Skin的解耦传感性能为其复刻人类复杂触觉感知功能奠定了坚实基础。研究人员将3DAE Skin与数据采集电路、信号处理模块集成，构建了一套触觉系统（图13）。其中，数据采集电路可以在消除串扰的情况下独立采集阵列中共240个传感器的信号，而后续的信号处理模块能够根据采集到的数据，计算出压力/剪切力和应变的空间分布，并将其实时呈现在时空映射图（Spatiotemporal map）中。此外，信号处理模块中的深度神经网络（DNN）能够定量解码触觉信息，例如可以超分辨率地预测压力的施加位置，或精准识别接触物体的弹性模量与曲率。

图13. 3DAE-Skin触觉系统的工作机制

为了直观呈现3DAE-Skin测得的压力/剪切力和应变分布，研究人员引入了时空映射图作为可视化工具。其中，25个彩色八边形表示力信号，每个八边形的颜色（或大小）表示压力的大小，而每个八边形上的黑色箭头（或每个八边体自身的畸变）表示剪切力的大小和方向。相邻八边形之间的水平和垂直间距表示该局部沿x和y方向的应变。八边形中的红色虚线是基线，标记了不受力时八边形的初始形态。为了更好的可视化效果，对应变做了适当放大。

图14、15中的时空映射图直观展示了3DAE-Skin在与3D打印的三个浮雕字母T、H、U交互（图14A）时，压力/剪切力和应变的空间分布与动态变化。当接触字母T时，映射图直观地展现出了压力分布的不均匀性（图14B）；当按压在字母H上滑动时，映射图不仅捕捉到了压力分布，还准确地反映了摩擦过程中字母H上既压又剪的复杂受力状态（图14C）；当按压字母U上扭转时，映射图通过箭头清晰地描绘了剪切力在字母U上的漩涡状空间分布（图14D）。这些样例生动地证明了3DAE-Skin对相互耦合的压力/剪切力在空间的复杂分布具有出色的分辨能力。

图14. 基于时空映射图的触觉信息可视化。（A）非均匀地按压字母T；（B）按压字母H并滑动；（C）按压字母U并扭转

图15. 3DAE-Skin触觉系统的时空映射

除了时空映射之外，3DAE-Skin触觉系统还通过深度学习方法进一步提升了其功能。如图16所示，3DAE-Skin触觉系统实现了基于DNN的空间超分辨率传感，其对施力位置的空间分辨率由1.086 mm（线性插值法）提升至0.117 mm（使用DNN），这已经非常接近人类指尖对力的位置分辨能力。

图16. 3DAE-Skin触觉系统的空间超分辨率传感。（A）用于数据采集的加载装置；（B）用于超分辨率传感的DNN模型示意；（C）DNN模型对施力位置的预测结果

3DAE-Skin触觉系统的功能并不仅局限于时空映射和超分辨率传感，其最显著的优势在于其能够同时预测物体的弹性模量和局部曲率。预测模量与曲率的能力对智能假肢领域意义重大，它将极大地提高仿生手在物体识别方面的精确度，使之更接近于拥有人类的丰富触觉感知能力。然而，尽管已有许多对电子皮肤测量物体模量或曲率的研究，但它们往往局限于固定形状或材质的物体。这主要是因为传统电子皮肤所能获取的信息量有限，无法充分捕捉物体在不同力学条件下的变形特征。然而，3DAE-Skin能够凭借其应变测量能力，获得高质量的额外信息，从而突破了这一局限。

图17. 3DAE-Skin触摸四种具有不同模量/形状组合的样品时的触觉信息

图17展示了3DAE-Skin在接触不同模量和曲率物体时的压力/剪切力及应变分布。研究人员经过探索发现，仅依靠压力分布信息很难同时预测物体的模量和曲率。然而，当结合接触引起的应变后，这一难题便得到了有效解决，这也正是3DAE-Skin在这类复杂任务中表现出色的关键。为了获得从压力/剪切力和应变分布到预测模量、曲率之间的复杂非线性关系，研究人员构建了相应的数据集，其中包含了对51种不同表面形状（球面、椭球面、圆柱面和平面）和15种不同模量（从40 kPa到3.9 MPa）的各种样品进行测量得到的信号。通过对数据集进行深度学习，3DAE-Skin触觉系统成功获得了对模量、曲率的同时预测能力。

图18. 3DAE-Skin触觉系统对模量（A）和两个主曲率（B、C）的预测效果

图18展示了3DAE-Skin触觉系统对测试集的模量和主曲率的预测结果。对模量的预测结果（图18A）表明，3DAE-Skin触觉系统能够在40 kPa至3.9 MPa的较大范围内，较为准确地预测不同曲率物体的弹性模量。值得注意的是，只有当模量匹配时，即被测物体的模量接近3DAE-Skin自身的模量（约194 kPa）时，系统预测的准确性才能达到最优。从机理上来说，当目标物体的弹性模量远高于3DAE-Skin的模量时，目标物体几乎不变形，接触引起的拉伸应变很小，这种微弱的应变信号难以被触觉系统捕捉和解析，因此导致预测精度降低。当然，人类触觉感知也有类似的局限性，人同样难以精确分辨极软或极硬物体的模量差异。

3DAE-Skin触觉系统对物体两个主曲率的预测同样表现优异（图18B、C）。归功于传感单元的高密度排列，即使对于曲率高达0.1 mm-1的物体，该系统也具有较高的预测精度。

图19. 对不同新鲜度和形状食物的模量与曲率测量结果

研究人员基于3DAE-Skin触觉系统同时预测模量和曲率的能力，开发了一种独特的应用。猕猴桃、桃子、面包等食物的新鲜度很难通过视觉方法来评估，需要根据它们的软硬才能判断。因此，对于这类应用，能够定量测量不同形状物体模量的3DAE-Skin触觉系统具有显著优势。研究人员用3DAE-Skin触觉系统测量了不同的水果、面包等多种食物在未熟和成熟、新鲜和风干的状态下的模量与曲率。测量结果（图19）定量表明，这些食物在不同的新鲜度下的模量存在明显差异。图20、21分别展示了对不同新鲜度的李子、圆面包的模量、曲率的预测过程与结果。

图20. 测量未熟和成熟李子的模量和曲率

图21. 测量新鲜和风干圆面包的模量和曲率

研究人员还通过定期测量，绘制了三种食物模量、曲率随时间变化的趋势图（图22）。对猕猴桃的测量结果（图22A）反映出，果实在成熟过程中形状几乎不变，但会明显变软。实验数据显示，猕猴桃的模量在前6天仅呈现微小下降，但随后迅速降低，直到第14天达到过熟状态。相较于未熟猕猴桃，过熟猕猴桃的模量低了一个数量级。与之相反，纸杯蛋糕或牛角面包（图22B、C）在长期暴露于空气中时，其质地会随水分蒸发而变硬。测量数据显示，纸杯蛋糕的模量在第一天就迅速增加，在第二天增加速度放缓，因为其风干过程在最初的24小时内就已经基本完成。牛角面包的风干过程与之类似，且最终的硬化程度更为显著。

图22. 对不同食物模量和曲率的长期监测。（A）猕猴桃；（B）纸杯蛋糕；（C）牛角面包

综上，本工作研制了一款高度仿生的新型电子皮肤——3DAE-Skin。3DAE-Skin在三维架构上模仿了人类皮肤中机械感受器的三维分布，从而能够解耦测量压力、剪切力和应变。3DAE-Skin触觉系统在深度学习的辅助下，不仅实现了超分辨率传感，还能够同时定量测量物体的模量和曲率。3DAE-Skin触觉系统在测量水果、面包等不同形状食物新鲜度上的成功应用，说明其具备人类皮肤的复杂感知功能，预示着其在人机交互、机器人技术和自动检测等领域拥有广阔的应用前景。

清华大学张一慧教授是该文章的通讯作者。清华大学航院2018级博士生刘志、2021级博士生胡笑男和清华大学柔电国重副研究员柏韧恒为文章的共同第一作者。论文作者还包括航院2023级博士生羊佑舟、2017级博士生程旭（现为新加坡国立大学博士后）、2020级博士生徐世威、2019级博士生沈张明，以及航院博士后庞文博、刘卿、王月皎、王书恒。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金项目、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、清华大学国强研究院基金等的资助。

论文链接：

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