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  仿生學(xué)已經(jīng)成為人工皮膚技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域，它引領(lǐng)了材料設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)構(gòu)建的創(chuàng)新，目的是真正模仿人類皮膚的觸覺(jué)感知能力。人類皮膚由于其有趣的結(jié)構(gòu)和功能特征而成為靈感的來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)，皮膚內(nèi)部的表皮和真皮層是由具有“互鎖”架構(gòu)的交錯(cuò)真皮乳頭陣列形成的。一方面，這些真皮乳頭賦予表皮-真皮界面更大的表面積，允許更多的神經(jīng)末梢和機(jī)械感受器分布在其中；另一方面，“互鎖”架構(gòu)有助于集中和放大局部應(yīng)力；通過(guò)這兩方面的協(xié)同作用，大大提高了皮膚的觸覺(jué)感知能力。當(dāng)皮膚與物體接觸時(shí)，真皮乳頭會(huì)感覺(jué)到應(yīng)力或變形，并將其轉(zhuǎn)化為生物電信號(hào)，進(jìn)而傳輸?shù)酱竽X的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過(guò)復(fù)雜的分析、處理和學(xué)習(xí)，可以獲得更深層且很難直接測(cè)量的觸覺(jué)信息，如形狀和紋理。從中汲取靈感，利用不斷發(fā)展的人工智能技術(shù)構(gòu)建模仿人類感知過(guò)程的智能感知系統(tǒng)。然而，一些人類難以實(shí)現(xiàn)的感知能力，例如對(duì)外觀難以區(qū)分的物體的材料感知，仍然極具挑戰(zhàn)性。盡管近年來(lái)開發(fā)了各種感知材料種類的技術(shù)，但這些技術(shù)仍然存在局限性。因此，迫切需要一種具有高度普適性和競(jìng)爭(zhēng)力的材料感知方法來(lái)填補(bǔ)當(dāng)前智能感知領(lǐng)域的技術(shù)空白。

  直覺(jué)作為一種超越人類傳統(tǒng)五官的感知能力，可能包括對(duì)未來(lái)事件、隱藏信息或其他超自然現(xiàn)象的感知，也稱為第六感或超感官感知。在自然科學(xué)中，直覺(jué)通常與磁場(chǎng)/電場(chǎng)有關(guān)，例如潛意識(shí)中可能出現(xiàn)的對(duì)危險(xiǎn)的敏感性和對(duì)未知事物的警覺(jué)。這或許是因?yàn)榇竽X捕捉到周圍環(huán)境中磁場(chǎng)/電場(chǎng)的微弱干擾，但人類目前無(wú)法自由利用直覺(jué)進(jìn)行感知。電容e-skin是一種能夠?qū)⑼獠拷佑|/非接觸刺激轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)的器件，具有獨(dú)特的邊緣電場(chǎng)，在以前的研究中經(jīng)常被認(rèn)為是一個(gè)缺陷。然而，在人類直覺(jué)的啟發(fā)下，它或許可以利用不同物體逐漸靠近時(shí)產(chǎn)生的不同程度的邊緣電場(chǎng)擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料感知。這主要有兩個(gè)原因：i）絕大多數(shù)物體的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致在邊緣電場(chǎng)中表現(xiàn)出干擾的能力不同；ii）擾動(dòng)的邊緣電場(chǎng)可以以寄生電容的形式定量反映，可以更直觀地驗(yàn)證感知情況。因此，基于以上兩點(diǎn)，電容式e-skin可能成為一種具有高度普適性和競(jìng)爭(zhēng)性的材料感知的潛在方法。為了進(jìn)一步優(yōu)化材料感知的識(shí)別精度，排除介電常數(shù)相似材料的影響，希望結(jié)合基于軟/硬度特性的材料感知方法，構(gòu)建一個(gè)兼具直覺(jué)和觸覺(jué)雙模傳感的智能材料感知系統(tǒng)。毫無(wú)疑問(wèn)，開展仿生e-skin及其智能感知系統(tǒng)的研究，必將對(duì)基于人工智能的智能感知領(lǐng)域起到重要的補(bǔ)充和推動(dòng)作用，全面推動(dòng)智能化進(jìn)程邁向新時(shí)代。

圖1基于AFB e-skin的智能材料感知的示意圖 

圖2 AFB e-skin的直覺(jué)傳感特性 

圖3 AFB e-skin的觸覺(jué)傳感機(jī)制 

圖4 AFB e-skin的觸覺(jué)傳感性能 

圖5 智能材料感知系統(tǒng)演示

  全文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202308127

通訊作者介紹

李陽(yáng) 教授 山東大學(xué)

  李陽(yáng)教授，山東大學(xué)集成電路學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級(jí)會(huì)員，科技部中韓青年科學(xué)家、山東省泰山學(xué)者青年專家、山東省高校集成電路創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、山東省優(yōu)青、山東省青年科技人才托舉工程入選者、齊魯青年學(xué)者，主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部項(xiàng)目、山東省優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等省部級(jí)以上項(xiàng)目10余項(xiàng)。主要研究領(lǐng)域：新一代半導(dǎo)體材料與器件；“傳感存算一體化”芯片系統(tǒng)。已累計(jì)發(fā)表SCI檢索論文100余篇，其中以第一作者/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron, Dev. 等領(lǐng)域內(nèi)頂尖期刊上發(fā)表中科院一區(qū)文章45篇，包含封面文章10篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng)，韓國(guó)發(fā)明專利11項(xiàng)。

張其沖 研究員 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

  張其沖，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員。2017年于同濟(jì)大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位，隨后在新加坡南洋理工大學(xué)從事博士后研究和東南大學(xué)擔(dān)任研究員，2021年11月入選中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃。主要從事纖維狀電子器件及多功能集成，以第一/通訊作者共發(fā)表SCI論文50余篇，包括Chem. Rev. 1篇、Adv. Mater. 3篇、Mater. Sci. Eng. R Rep. 1篇、Matter 1篇、Nano Lett. 3篇、Adv. Energy Mater. 3篇、ACS Nano 4篇、Adv. Funct. Mater. 5篇、ACS Energy Lett. 1篇、Nano Energy 6篇、Adv. Sci. 2篇、Energy Storage Mater. 3篇等，共計(jì)發(fā)表SCI論文100余篇，H因子45，ESI高被引論文10篇，論文引用5700余次，撰寫英文學(xué)術(shù)專著Advanced Fiber Sensing Technologies一個(gè)章節(jié)。擔(dān)任Adv. Fiber Mater.、InfoMat、Nano-Micro Lett.和The Innovation等期刊青年編委。

金南英 (Nam-Young Kim) 教授 韓國(guó)光云大學(xué)

  金南英教授，韓國(guó)光云大學(xué)電子工程系教授，RFIC中心創(chuàng)始人。主要研究領(lǐng)域：射頻和生物傳感器及其應(yīng)用。已累計(jì)發(fā)表SCI檢索論文255余篇，出版著作33本，授權(quán)韓國(guó)發(fā)明專利215項(xiàng)。