北京大学韩梦迪 Science Advance：三维柔性模块化的电子皮肤

为此，北京大学韩梦迪助理教授课题组提出了一种创新性的三维柔性模块化的电子皮肤。这种电子皮肤由可定制的、微加工工艺兼容的微型三维应变片构成触觉传感模块，能够实现对皮肤界面压力的无线测量和生物力学信号的连续监测。该工作以“Three-dimensional micro strain gauges as flexible, modular tactile sensors for versatile integration with micro- and macro-electronics”为题发表在《Science Advances》上，北京大学博士研究生徐晨为第一作者，王毅然为共同一作。该工作得到了国家自然科学基金(No. 62104009)、国家重点研发计划(No. 2023YFB3208100)、北京大学新工科交叉专项和北京大学微纳加工实验室校级平台(Peking Nanofab)的支持。

图1. 基于微型三维应变片的柔性触觉传感模块

制备柔性触觉传感模块的关键是微型三维应变片的制备。在应变片表面沉积的具有内应力的薄膜，能使应变片向上卷曲，形成如图1B和图1C所示的三维结构，即微型三维应变片。与传统的平面应变片相比，微型三维应变片能够更加有效地感知法向力。应变片的制备方法与光刻等微电子工艺完全兼容，可在商用集成电路上制备，并支持并行化、批量化加工。

图2. 柔性触觉传感模块的力学传感性能

将四个正交排列的微型三维应变片封装于柔性聚合物中，结合平面温度传感单元，构成了用于电子皮肤的柔性触觉传感模块。如图2B所示，得益于应变片的三维结构以及位置设计，柔性触觉传感模块能根据应变片响应对力的大小、方向进行解耦。平面温度传感单元仅对温度响应，并起到温度校准的功能。柔性传感模块具有对力大小、方向的高解耦精度，高线性度，快速响应时间以及良好稳定性。

图3. 可定制的电子皮肤

柔性触觉传感模块能够从基底上快速、稳定地转移到各种形状的柔性电路板上，构成可定制的触觉感知电子皮肤。如图3F所示，将不同的柔性触觉传感模块同人手状柔性印刷电路板集成，同时实现了对触觉信息的指尖的高密度检测以及手掌的大面积检测。与微电子工艺兼容的制备方法允许实现传感单元达360 cm^-2的电子皮肤，超过人手指尖触觉感受器的空间密度。此外，同含有蛇形互连线的柔性印刷电路板集成，能构建可拉伸的电子皮肤，适应于不同曲率的表面。

图4. 集成触觉传感模块和商用芯片的多功能电子皮肤

柔性触觉传感模块能与其他电子元件（如商用传感器）协同工作，实现对力学信息的无线传感，进一步扩展电子皮肤的感知能力，从而完成复杂的信息感知任务。如图4I所示，配合商用接近传感器，电子皮肤在检测温度、三维力的同时，扩展了对物体接近的感知能力。

图5. 电子皮肤对皮肤表面触觉信息的空间映射

柔性触觉传感模块能够同大面积的柔性电路板进行集成，构建大面积的柔性电子皮肤。电子皮肤可以保形贴附于人体各处皮肤表面，实时测量皮肤界面受到的法向力与剪切力的空间分布情况，并且不受位置、弯曲的影响，确保了对生物力学信号的稳定和精确测量。

总结：本文介绍了一种创新性的电子皮肤，通过模块化的柔性触觉传感模块，实现了对温度、法向力、剪切力等触觉信息的灵活、可定制检测。与现有技术相比，这种三维柔性触觉传感模块具有和微电子、宏电子学技术的良好兼容性，并在高空间分辨率或大面积覆盖条件下，实现对温度、法向力、剪切力的高性能感知，提升了电子皮肤的传感性能和集成灵活性。

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