基于圖案化水凝膠材料的多功能仿生電子皮膚

電子皮膚類似于人體皮膚，它可以感知外界刺激獲取環境信息，并將其轉化為電信號，這項技術在軟體機器人、假肢設計和可穿戴設備等領域備受關注。隨著新型可穿戴電子設備和人機交互界面系統的迅猛發展，對電子皮膚的要求也越來越高。然而，目前仍存在一些挑戰，如傳感靈敏度、功能單一、穩定性和環境適用性等方面的限制，阻礙了其廣泛應用。為了克服這些挑戰，結合微納加工工藝和摩擦納米發電技術，可以提升傳感器的靈敏度和環境適用性，同時實現智能電子皮膚和人機交互界面等功能，從而實現其更廣泛的應用。

摘要

西北工業大學苑偉政教授團隊/北京大學張海霞教授團隊提出了一種高靈敏多功能水凝膠基仿生電子皮膚（BHES）。通過利用不同材料在接觸起電過程中的得失電子能力差異，該電子皮膚可以準確地識別材料，并且借助粘滑現象實現對材料紋理/粗糙度的識別?；谖⒓{加工工藝制備了微針圖案化的水凝膠，使得電子皮膚具備了高靈敏度（17.32 mV/Pa）、寬壓力范圍（20-5000 Pa）、低檢測限和快速響應（10 ms）/恢復（17 ms）的壓力傳感功能。通過結合深度學習技術，BHES實現了高精度的材料識別（對于10種材料的識別準確率為95.00%）和紋理識別（對于4種粗糙度的識別準確率為97.20%），并通過獨立的傳感通道最大限度地減少了應力引起的干擾?；贐HES設計了一種可穿戴式無人機控制系統，結合信號采集和處理電路，使用戶能夠通過手勢操控四旋翼無人機進行三自由度運動，并且控制無人機編隊運動。這項技術在軟體機器人、數字孿生和自供電人機交互界面等領域展示出巨大的潛力。該研究成果以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”為題發表在國際著名期刊《ACS Nano》上，西北工業大學陶凱研究員為第一作者，西北工業大學苑偉政教授和北京大學張海霞教授為共同通訊作者。

在這項研究中，作者提出了一種基于圖案化水凝膠材料的多功能仿生電子皮膚，如圖1所示，該電子皮膚具備高靈敏度壓力傳感、高準確率材料種類以及表面粗糙度識別等多種功能。結合信號采集/處理電路，可以通過該電子皮膚對人的手勢進行檢測，并用于進行無人機的三自由度運動操控以及無人機群的運動控制（圖1）。

圖1：圖案化水凝膠基仿生電子皮膚（BHES）整體結構設計

作者在傳統雙網絡水凝膠中引入LiBr溶液，利用離子水合作用極大改善了其抗干燥以及耐低溫性能，拓寬了其適用溫度范圍。此外，設計的水凝膠還具備較高的透明度、電學穩定性以及作為人體運動傳感器等優異性能（圖2）。

圖2：雙網絡結構離子水凝膠的性能表征

在該項研究中，首先通過仿真與計算優化微結構設計，并通過微納加工工藝制備了表面帶有微針結構的水凝膠材料，使得器件的壓力傳感靈敏度由8.86 mV/Pa提高到了17.32 mV/Pa。此外，設計的電子皮膚還具備微小物體檢測和快速響應（10 ms）/恢復（17 ms）的特性（圖3）。

圖3：BHES的壓力傳感應用展示

研究者基于不同材料在接觸起電過程中的得失電子能力差異這一機理，設計的電子皮膚可以準確地識別材料種類，同時借助粘滑現象實現對材料紋理/粗糙度的識別。利用深度學習技術，實現了對10種常用工程材料的準確識別（識別準確率為95.00%）以及對4種不同粗糙度碳鋼材料的準確識別（識別準確率為97.20%）（圖4）。

圖4：BHES的材料識別應用展示

研究者基于BEHS，結合信號采集/處理電路，設計了一套可穿戴式無人機控制系統，實現了利用人體手勢對四旋翼無人機的三自由度運動控制以及對無人機群的控制演示，有望在環境保護以及山林防災等場景中進行使用（圖5）。

圖5：基于BHES的無人機控制系統展示

結論

在本研究中，基于納米褶皺圖案化PET和微針圖案化雙網絡水凝膠，提出了一種仿皮膚結構的超靈敏多功能電子皮膚。為模仿表皮層表面并更好地利用摩擦起電機制，引入了納米褶皺圖案化PET。同時采用微針圖案化水凝膠作為摩擦層和導電電極，以提高器件的靈敏度。所設計的水凝膠顯示出卓越的抗干燥和耐低溫能力、優異的透明度和較高電學輸出穩定性。在作為壓力傳感器時，BHES可在相對較寬的壓力范圍（20-5000Pa）內具有高靈敏度（17.32mV/Pa）、低檢測限和超快響應（10ms）/恢復（17ms）速度。多功能電子皮膚同時可賦予機器人材料識別和紋理識別的能力。借助深度學習技術，它可以準確地識別10種常用工程材料和4種不同粗糙度的碳鋼材料，識別準確率分別可達到95.00%和97.20%。通過進一步結合信號采集/處理電路，該電子皮膚可通過檢測人體手勢來控制無人機的運動，成功應用于人機交互界面系統。這項研究為智能機器人在數字孿生和元宇宙領域的應用提供了新的思路，并展示出在自供能人機交互界面領域的應用潛力。

審核編輯：彭菁