从一篇Science子刊看柔性传感器顶刊的套路

斯坦福大学的鲍哲南是柔性电子领域公认的大牛之一，其课题组在柔性电子领域，特别是在电子皮肤方向做了许多开创性的工作。下面我们从鲍哲南一篇电子皮肤方向的经典论文，来学习发表高档次文章的要领。

触觉感知是机器人应用中灵巧操作物体所必需的。特别的，在实际工程中能实时感知法向力和剪切力两种不同的信息是测量和识别表面光滑物体以及与脆性物体相互作用的关键。在斯坦福大学鲍哲南课题组最近的一篇工作里，（Sci. Robot. 3, eaau6914, 2018.）报告一种新型的仿生软电子皮肤(e-skin)。它是由一组电容器组成的传感阵列，具有法向力和切向力的实时测量和鉴别的能力。它模仿了人类皮肤中真皮和表皮相互连接的一种三维凸起结构（如图1. 所示）。另外上层有组排列有序的金字塔与下层凸起结构接触，实现电容传感。在金字塔结构的排列方式上还应用了受自然界结构启发的叶序螺旋排列，实现e-skin敏感性增加，迟滞最小，良好的循环稳定性，响应时间在毫秒范围内。电子皮肤提供传感反馈可实现在不同的任务中控制一个机器人手臂，展示了其在触觉反馈机器人技术中的应用。

文章将之前一些工作的设计原理（图2. A）与本工作（图2. B）进行了对比。之前的工作都只能实现正向压力的传感而不能感知切向的压力。但本工作提出的突起与金字塔结合的结构既可以感知正向的压力又可以感知切向的压力。每一个小金字塔都能输出一个传感信号，当收到切向压力的时候，一侧的金字塔会与下层凸起接触，而另一侧不会接触，这样就在正向压力传感的基础之上有得到了切向的受力信息。在说明器件原理的图中，作者特别适用到了COMSOL仿真模拟来展示上层结构在受垂直向下的力和一定角度倾斜力两种情况下的形变，清晰的说明了器件设计的原理。

在这种设计思路的基础上可以通过优化上层金字塔结构的排列方式，进一步提高器件的灵敏性。作者研究了金字塔的不同排列密度的影响，并结合COMSOL仿真从理论计算上论证了不同间距对接触和形变的影响。（图5. A）最后得到结论，中间容易与凸起接触的地方需要更密的排列，而周围需要较低的排列密度。于是借鉴自然界中广泛存在的斐波那契数排列方式设计了图5.F 所示的结构。

鲍哲南课题组的这篇文章可谓是传感器领域教科书式的工作。从器件的设计，到文章的构思和文章写作都有值得我们学习的地方。从这篇文章也是用到了 COMSOL模拟结果 作为文章的原理示意图，比单纯绘制的示意图更具科学性和说服力。另外， COMSOL模拟在器件的结果参数优化中也发挥了很大的作用 ， 使得实验更有指导性，避免盲目尝试 ， 能提高我们的科研效率 。