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  觸覺感知是指通過人體皮膚直接獲取接觸/非接觸信息的能力，其實(shí)現(xiàn)主要依賴于皮膚內(nèi)外獨(dú)特而完美的生物結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，皮膚內(nèi)部的表皮、真皮和皮下組織都是由一系列交錯(cuò)排列的“互鎖”微脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)組成，有助于集中和放大局部應(yīng)力，從而使觸覺感受器能夠快速獲取外部刺激信息；除了這三種結(jié)構(gòu)層外，人體皮膚外部的汗毛結(jié)構(gòu)在人類觸覺感知中也是必不可少的，因?yàn)橛赏獠看碳ひ鸬暮姑康妮p微運(yùn)動(dòng)可以被附近的受體捕捉到。此外，觸覺認(rèn)知作為觸覺感知更深層次的體現(xiàn)，它將皮膚獲得的感知信息轉(zhuǎn)化為生物電脈沖，進(jìn)而以傳入神經(jīng)為載體傳遞到大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。經(jīng)過復(fù)雜的分析、處理和學(xué)習(xí)，可以獲得更深層次的且難以直接測(cè)量的信息。

  近期，濟(jì)南大學(xué)李陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)和北理工沈國(guó)震教授團(tuán)隊(duì)通過將摩擦電效應(yīng)與超電容離子效應(yīng)相結(jié)合，提出了一種基于仿生汗毛和表皮-真皮-皮下組織雙互鎖微錐結(jié)構(gòu)的高性能全皮膚仿生(FSB)電子皮膚(e-skin)，并展示了其從觸覺感知到先進(jìn)智能觸覺認(rèn)知的應(yīng)用前景。FSB e-skin擁有一系列優(yōu)異的性能，包括8053.1 kPa^-1(<1 kPa)的超高靈敏度，3103.5 kPa^-1 (1-34 kPa)的線性靈敏度，快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(<5.6 ms)和低檢測(cè)極限(0.05 Pa)，這些都是滿足智能化需求的關(guān)鍵。為了證明FSB e-skin具有從觸覺感知到先進(jìn)智能觸覺認(rèn)知的能力，探索了三種具體應(yīng)用：(1) 基于FSB e-skin的摩擦電效應(yīng)，開發(fā)了汗毛狀結(jié)構(gòu)的柔性觸覺感知陣列來模擬汗毛的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)非接觸式觸覺感知。(2) 在FSB e-skin的超級(jí)電容離子效應(yīng)的支持下，開發(fā)了一種基于多層感知機(jī)(MLP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手勢(shì)形態(tài)認(rèn)知手套佩戴系統(tǒng)，以促進(jìn)一般智能觸覺認(rèn)知，包括手語(yǔ)者和非手語(yǔ)者之間的正常交流和無(wú)線機(jī)器手交互。(3) 作為本工作的核心，借助摩擦電效應(yīng)和超級(jí)電容離子效應(yīng)的協(xié)同作用，并將FSB e-skin與6層MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)采集、傳輸、處理、顯示等功能模塊相結(jié)合，構(gòu)建了先進(jìn)智能材料認(rèn)知系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過一次接觸實(shí)現(xiàn)對(duì)12種形態(tài)模糊、表面光滑材料的實(shí)時(shí)識(shí)別，平均準(zhǔn)確率達(dá)到98.34%。在此基礎(chǔ)上，還構(gòu)建了一種柔性材料認(rèn)知陣列，以說明其在同時(shí)感知多個(gè)物體的材料特性和位置方面的應(yīng)用潛力。

圖1 基于FSB e-skin的從感知到認(rèn)知的觸覺傳感示意圖

圖2 超級(jí)電容離子式e-skin部分和摩擦電式e-skin部分的性能表征

圖3 非接觸式感知和手勢(shì)認(rèn)知系統(tǒng)的演示

圖4 先進(jìn)智能材料認(rèn)知系統(tǒng)演示

  該工作以“Perception-to-cognition Tactile Sensing Based on Artificial intelligence-motivated Human full-skin Bionic Electronic Skin”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上(Doi: 10.1002/adma.202202622)。濟(jì)南大學(xué)牛閎森(碩士研究生)，李浩(碩士研究生)和高嵩副教授為共同第一作者，濟(jì)南大學(xué)李陽(yáng)教授和北理工沈國(guó)震教授為共同通訊作者。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202622