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)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

皮膚為我們的身體提供了一層保護層，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。在未來的機器人與醫(yī)療設(shè)備中，同時模仿天然皮膚的感官反饋和機械特性的人造皮膚具有很大前景。

美國斯坦福大學(xué)鮑哲南團隊提出了一種低電壓驅(qū)動、可監(jiān)測壓力與溫度、并且能輸出序列脈沖信號的可拉伸柔性電子皮膚系統(tǒng)（圖1A）。該電子皮膚系統(tǒng)沒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)樣脈沖序列信號調(diào)理和閉環(huán)致動。

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，這對于可穿戴設(shè)備來說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)雜的信號調(diào)理電路�，F(xiàn)有的柔性電子設(shè)備仍然需要高工作電壓（30至100 V），這會產(chǎn)生安全和功耗問題。降低驅(qū)動電壓需要增加?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極化使其有較高的介電常數(shù)，但其磁滯大、遷移率低，對實現(xiàn)低驅(qū)動電壓和高載流子遷移率形成了挑戰(zhàn)。

鮑哲南團隊開發(fā)了一種三層電介質(zhì)（圖1B），通過超薄的非極性聚（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�；�于該材料的良好的耐溶劑性和圖案化性，又構(gòu)建了可拉伸有機晶體管陣列，并進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)動電壓、高電路復(fù)雜性的特點，有助于皮膚義體、人機交互和神經(jīng)機器人技術(shù)的未來發(fā)展。

參考文獻：
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