具有仿生感官反饋功能的全柔性電子皮膚系統(tǒng)

供稿人：李紅艷、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

皮膚為我們的身體提供了一層保護(hù)層，它也能夠?qū)崿F(xiàn)詳細(xì)的感官反饋和與周圍環(huán)境的柔和互動(dòng)。在未來(lái)的機(jī)器人與醫(yī)療設(shè)備中，同時(shí)模仿天然皮膚的感官反饋和機(jī)械特性的人造皮膚具有很大前景。

美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)提出了一種低電壓驅(qū)動(dòng)、可監(jiān)測(cè)壓力與溫度、并且能輸出序列脈沖信號(hào)的可拉伸柔性電子皮膚系統(tǒng)（圖1A）。該電子皮膚系統(tǒng)沒(méi)有任何剛性電子元件，可以模擬生物皮膚的感官反饋功能，包括多模態(tài)接收、神經(jīng)樣脈沖序列信號(hào)調(diào)理和閉環(huán)致動(dòng)。

圖1 柔性電子皮膚系統(tǒng)(A)及其內(nèi)部三層電介質(zhì)示意圖(B)

電子元件通常由剛性半導(dǎo)體制成，并且它們只能在高電壓下工作，這對(duì)于可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)在便捷性和安全性上存在很大的不足。理想的柔性電子皮膚當(dāng)中的電子元器件需要有較低的工作電壓，并且構(gòu)建有復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路。現(xiàn)有的柔性電子設(shè)備仍然需要高工作電壓（30至100 V），這會(huì)產(chǎn)生安全和功耗問(wèn)題。降低驅(qū)動(dòng)電壓需要增加?xùn)艠O電容，這需要具有高介電常數(shù)的薄介電層。作為介電彈性體的丁腈橡膠中的丁腈基團(tuán)極化使其有較高的介電常數(shù)，但其磁滯大、遷移率低，對(duì)實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓和高載流子遷移率形成了挑戰(zhàn)。

鮑哲南團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種三層電介質(zhì)（圖1B），通過(guò)超薄的非極性聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）彈性體涂層鈍化高介電常數(shù)丁腈橡膠，然后進(jìn)行疏水性十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）分子修飾，從而獲得了較為理想的材料性能。相比于普通單層結(jié)構(gòu)，載流子遷移率提高了約50倍�；谠摬牧系牧己玫哪腿軇┬院蛨D案化性，又構(gòu)建了可拉伸有機(jī)晶體管陣列，并進(jìn)一步集成制造了用于直接皮膚操作的低壓功能電路。這種全柔性的集成化電子皮膚系統(tǒng)，具有仿生感官反饋的功能和低驅(qū)動(dòng)電壓、高電路復(fù)雜性的特點(diǎn)，有助于皮膚義體、人機(jī)交互和神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：
Weichen Wang et al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin. Science. 2023. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086