电子皮肤（E-skin）在模拟人类感官系统用于假肢、人机交互和医疗保健监测方面引起了相当大的关注。然而，完全模拟皮肤功能仍然具有挑战性，因为皮肤功能可以分离刺激，如正常/切向力，接触/非接触行为，以及对高频输入的反应。有鉴于此，五邑大学罗坚义团队与澳门大学周冰朴团队合作，开发了一种基于仿生毛发-表皮-真皮-皮下组织结构的全仿生电子皮肤（FBE-skin），用于多维触觉感知。如图1所示，文中通过充分利用人体皮肤的设计理念，制造磁化微纤毛（MMCA）、导电微穹顶（MDA）和柔性电极来复制生物毛发层、表皮-真皮层和RA/SA受体。通过优化微纤毛和导电微圆顶的形态和磁/电性能，该工作进一步提高了自上而下结构中各部件的传感性能。
图1. (a) 具有毛-表皮-真皮层的人体皮肤和用于动静态刺激检测的RA/SA机械感受器的概念图；(b) 通过电磁元件（MMCA）和压阻元件（MDA）的耦合电子皮肤设计；(c) 电子皮肤模拟人类皮肤实现静态和动态响应的多维机械感知示意图。作者通过形态调控和磁化优化，仿生MMCA部件能够为频率高达100 Hz的动态输入提供可靠的电反馈。此外，对电阻式MDA组分进行了优化，使其能够以96.6 kPa-1的高灵敏度线性检测高达100 kPa的静态压力。该装置基于电磁感应（MMCA）和压阻效应（MDA）的双模传感机制，可以模拟SA和RA受体的响应，实现对动态和静态外部机械刺激的同时监测。MMCA组件在较小的压力范围内工作，可以响应高频刺激，而MDA组件在低频时具有更宽的压力响应范围。如图2所示，MMCA和MDA自上而下的整合以一种补充和合作的方式对外部机械刺激起作用，包括触摸/释放时刻、机械持续时间和滑动速度/方向，法向/切向以及接触/非接触类型的多维机械信号。图2. (a) 典型FBE-skin的光学图像和柔性展示；(b) 频率为3 Hz ~ 30 Hz，压力为800 Pa时，FBE-skin的响应。(c) 法向压力作用下MMCA和MDA的变形示意图，及施加压力时的电流和电压信号曲线(d)有持续时间， (e)无持续时间；(f) 日常机械刺激的示意图，例如手指滑动和气流导致近端FBE-skin形态变形；(g) 接触微纤毛层而不使微穹结构变形时,手指滑动FBE-skin的响应曲线；(h) FBE-skin暴露于法向和侧向气流时的响应曲线。人体神经系统能够感知滑过皮肤表面的切向机械刺激。特别是，人体皮肤上分布的毛发层允许识别不直接作用于真皮层的输入信息。这种感知能力不仅反映了输入强度，还使受体能够识别动态输入的滑动方向和移动速度等信息（图3a）。受此启发，我们开发了相应的三维可视化系统，通过深入的信号分析解码生物力学载荷，实现感觉数字化（图3b）。在该4×4阵列系统中，16个FBE-skin单元组成三维可视化界面，可以同时采集和显示电压和电流支路的双模信号。本工作模拟了人体皮肤在皮肤接触前的近端感知、对机械强度的识别（图3g-i）、监测切向输入的滑动速度和方向（图3c-e）以及细微气流的空间分布（图3f）等。此外，利用电磁感应原理，还可以直接从电压图中观察滑动速度及基于电压分布重构的气流空间分布。为了模拟基于FBE-skin的3D视觉解码能力，我们在阵列设备中集成相应的16个信号灯，用于对有害触摸发出警告信号。文中展示了更具体和详细的研究内容以及交互式应用场景。图3. (a) 人体皮肤由于存在毛层而感知切向机械刺激的示意图; (b) 基于FBE-skin阵列的感官解码和三维可视化系统概念图; (c) 用于识别不同滑动速度和路径的阵列示意图; (d)手指以路线①及V0速度滑动时三维可视化系统的响应; (e) 在不同速度下，暴露于路线②手指滑动时的响应。(f) FBE-skin在动态气流作用下的响应; (g) 对纤毛施加轻微（上）和较大压力引起皮肤明显变形（下）的示意图。(h) 对FBE-skin阵列施加最小压力时可视化系统的响应。(i) 对FBE-skin施加较大压力时可视化系统的警示响应。相关研究成果以“Top-down Architecture of Magnetized Micro-cilia and Conductive Micro-domes as Full Bionic Electronic Skin for De-coupled Multidimensional Tactile Perception”为题发表在《Materials Horizons》。文章第一作者为澳门大学与五邑大学联合培养博士生胡凤鸣。该工作受到了澳门科学技术发展基金（006/2022/ALC and 0057/2023/RIB2）等的经费支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/d4mh01217h
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