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人體皮膚對機械刺激的感知源于機械感受器的轉導，其能夠將外力轉化為電信號。盡管模仿這些機械感受器的空間分布可以開發能夠解耦法向/剪切力和應變的電子皮膚，但它仍然難以捉摸。

在此，清華大學張一慧教授等人報道了一種三維（3D）架構的電子皮膚（表示為3DAE-Skin），其力和應變傳感組件以3D布局排列，模仿人類皮膚中的Merkel細胞和Ruffini末梢。其中，該3DAE-Skin在法向力、剪切力和應變方面表現出出色的解耦傳感性能，并能夠開發一種觸覺系統，用于通過觸摸同時測量物體的模量/曲率。進一步演示也展示了包括對具有不同形狀和新鮮度的水果、面包和蛋糕進行快速模量測量。

相關文章以“A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation”為題發表在Science上。

由于皮膚對多模態機械刺激的解耦感知能力以及大腦對感知信號的學習和處理能力，人類可以完成靈巧的操作、環境探索和對觸摸物體物理特性的感知，以及其他觸覺任務。生物學研究表明，人類皮膚對機械刺激的感覺源于皮膚中機械感受器的轉導，它將施加在皮膚上的力轉化為電信號，通過軸突傳播到中樞神經系統（CNS）。Merkel細胞和Ruffini末梢是兩種緩慢適應的機械感受器，它們分別位于表皮底部和真皮內，在三維（3D）空間中具有密集分布的陣列。由于由真皮中的膠原纖維網絡支持的Merkel細胞非常靠近皮膚表面，因此當誘導應力從加載區域迅速衰減時，它們對施加在皮膚上的力高度敏感。與Merkel細胞相比，Ruffini末梢分布在離皮膚表面更遠的地方，因此即使皮膚本身被拉伸，對外力（例如壓力）也不那么敏感。?由于機械感受器的這種3D分布，Merkel細胞和Ruffini末梢可以分別有效地感知外力和皮膚的應變。

模仿上述皮膚中機械感受器的空間分布可以開發能夠解耦法向/剪切力和應變的人造電子皮膚，但由于難以實現具有良好控制的傳感組件的3D電子設備，因此仍然極具挑戰性。盡管已經報道了許多鼓舞人心和令人興奮的電子皮膚發展，例如表皮電子學，神經形態皮膚電子系統，皮膚集成電子系統，具有本質可拉伸電子元件的電子皮膚和用于多參數傳感和觸覺接口的電子皮膚，但它們都沒有模仿機械感受器的3D空間分布。此外，在接近人體皮膚的空間分辨率下，法向力、剪切力和拉伸應變的解耦測量也仍然難以捉摸。

基于此，作者采用類似皮膚的多層結構，報道了一種仿生設計的3D架構電子皮膚（表示為 3DAE-Skin），其中力和應變傳感組件以3D布局排列，模仿皮膚中的Merkel細胞和Ruffini末梢（圖1A）。

圖1.3DAE-Skin的生物靈感設計和制備過程。

同時，微納加工技術能夠形成由層壓力和應變傳感陣列組成的多層電子設備，通過精確控制的機械組裝將其轉換為仿生3D配置。3D架構設備的異構封裝策略確保周圍的力和應變傳感組件的軟材料，具有與皮膚中Merkel細胞和Ruffini末梢相似的機械性能。此外，3DAE-Skin的實驗和理論研究表明，在法向力、剪切力和應變方面具有優異的解耦傳感性能。

圖2. 3DAESkin的解耦傳感機制和性能。

圖3：使用基于3DAESkin的觸覺系統力和應變的時空映射。

此外，實時定量評估接觸狀態和物體信息的功能對人機交互、仿人機器人、智能假肢和自動檢測儀器也有重要意義。例如，通過測量設備與不同目標物體之間的摩擦系數，3DAE-Skin 系統可以區分粗糙表面和光滑表面。盡管所展示的3DAE-Skin是為模仿指尖感知而開發的，但其設計和制造方法是可擴展的，可擴展用于其他類型的假肢/機器人系統。更準確來說，進一步提高3DAE皮膚的細胞密度，可以通過減少二維前驅體結構尺寸和增加三維裝配中使用的雙軸預應變幅度來實現，但這往往受限于光刻技術的分辨率。

圖4：彈性模量和主曲率分量的同時定量測量

綜上所述，本文基于受生物啟發的三維架構設計、異質封裝策略和微加工技術，開發出的3DAE-Skin通過模仿人體皮膚中Merkel細胞和Ruffini末梢的空間排列，實現了皮膚的多層幾何/機械特性。具體來說，這種受生物啟發的設計利用了力和應變傳感組件的三維分布，以及E-Skin中的剛度變化，以實現對法向/剪切力和拉伸應變的解耦感知。同時，將3DAE-Skin與深度學習算法輔助的數據采集/處理模塊集成，可以開發出一種能夠具有與人類皮膚相當的空間分辨率的法向/剪切力感知的觸覺系統，以及通過簡單的觸摸物體同時測量模量和曲率。最后，本文開發了一種基于3DAE-Skin的觸覺系統、數據采集電路和深度學習輔助信號處理模塊，只需輕輕一按即可同時測量物體的彈性模量和局部主曲率分量。

Zhi Liu?, Xiaonan Hu?, Renheng Bo?, Youzhou Yang, Xu Cheng, Wenbo Pang, Qing Liu, Yuejiao Wang, Shuheng Wang, Shiwei Xu, Zhangming Shen, Yihui Zhang*, A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation. (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

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