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
相关进展
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[email protected]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群
为满足
高分子产学研
各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的
几十个
专项交流群
，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的
上万名
顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号
PolymerChina
（或长按下方二维码），并请一定注明：
高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业）
，否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
