北京大学胡又凡课题组《Nano Energy》：用于多机械刺激识别的仿生三维集成电子皮肤

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研究背景

对环境刺激的感知是人体的重要功能之一。皮肤作为人体最大的感受器官，广泛分布着各类机械感受器，将机械刺激转化为电信号，实现对触觉、压力、滑动、扭转、振动等机械刺激的感知，帮助人与物理世界进行信息交互。电子皮肤是一种新型的人机交互界面，它模拟人类皮肤的感知特性，在智能机器人、健康监测、仿生假肢以及可穿戴电子设备等领域有广阔的应用前景。对多种机械刺激的时空识别对于电子皮肤（e-skin）至关重要，电子皮肤能提供更完整和准确的交互信息，以实现精细功能，如手势识别、对象操纵和精细触觉识别。然而，非特定传感器响应和集成后传感器性能衰退限制了当前系统的感知能力。尽管随着材料科学的进步与新型结构的涌现，电子皮肤得到了迅速的发展，目前，电子皮肤能对单一类型的机械刺激进行高灵敏的识别。但是识别不同类型、大小和方向的机械刺激仍然面临挑战。

成果简介

该研究提出了一种新型的三维结构，其模拟人类皮肤中机械刺激小体的空间排布；基于此结构，设计并制备了一种具有对多种刺激感知功能的电子皮肤，它集成了多种传感器，其中，压力传感器、剪切力传感器和拉伸传感器以分层、非重叠和悬空的方式分布，使传感器间形成机械隔离，每类传感器仅对特定的机械刺激响应，不受其他刺激干扰。所提出的多模式感知电子皮肤无需复杂的解耦过程就能区分压力、两个方向的应变以及四个方向的剪切力，这有利于传感系统的识别速度及功耗。在电子皮肤中在不同的传感器分别设计了倒伏纳米圆锥微结构、半椭球和波浪状的新型微结构，使传感器具有优异的性能，其中应变传感器的灵敏度为6，应变的线性工作范围为80%（线性>0.99）；剪切力的灵敏度为0.1 N^-1；压力的灵敏度为3.78 kPa^-1；所有这些传感器响应速度快，响应时间大约为100毫秒。这些传感器的优异性能使电子皮肤能实现对多种机械刺激的实时记录和空间映射。测试结果表明，该电子皮肤能通过对多种机械刺激进行空间映射来实现多点触摸手势识别和轻微物体（手上0.065g 红豆）的空间定位，以说明其在可穿戴设备、机器人和仿生假肢中的潜在应用。

主要内容

1. 用于多机械刺激识别的电子皮肤
在人类皮肤中，各类机械刺激感受器具有不同的空间分布。例如，在手指上，梅氏小体分布在表皮和真皮层的交界处，其具有高密度，能实现触摸的精细感知；又如，鲁氏小体和帕氏小体分布在皮肤较深处的真皮和皮下组织，具有较低的密度，它们分别实现了对皮肤拉伸和深层压力的感知。不同的空间分布和响应频率范围使各机械刺激感受器具有特定的响应特性，从而能实现对各种刺激的区分和识别。通过模拟皮肤中感受器的空间排布，我们提出了一种具有对多种机械刺激识别功能的电子皮肤，如图1所示，根据所提出的一种新型三维空间结构将应变传感器、剪切力传感器和压力传感器集成于该电子皮肤。该三维空间结构将各传感器以分层、非重叠和悬空的方式分布，从而使机械结构分立，实现了对两个方向的应变、4 个方向的剪切力和压力的同时测量和区分。 
图1 | 3D集成E^MMSR-skin。a,  由应变、剪切力和压力传感器组成的E^MMSR-skin示意图。b, 横截面，c,等效电路图和d, E^MMSR-skin的分解示意图。d的插图分别展示了倒伏纳米圆锥微结构、半椭球和波浪状的新型微结构的SEM图像。比例尺，2.5 μm（左）、1 μm（中）和25 μm（右）。e, E^MMSR-skin 对不同机械刺激的检测和识别的示意图。
2．应变传感器
该研究创新性提出了一种倒伏纳米圆锥微结构，如图2所示，能大幅提升了金属薄膜在柔性衬底上的可拉伸性，使应变传感器的工作范围扩大了20 倍。基于此微结构的可拉伸应变传感器展示了良好的线性度。并且，仅通过预拉伸和改变PDMS 混合比例这两种易实现的工艺手段就能调控可拉伸应变传感器的性能，实现了具有大线性范围（80%）及高灵敏度（6）的应变传感器。得益于微裂纹的稳定性与良好恢复能力，应变传感器具有良好的循环稳定性，在1000 次重复加载15%拉伸应变的测试条件下，其电阻浮动值小于1.1%。 
图2 |应变传感器的特性。a, 基于倒伏纳米圆锥微结构的应变传感器示意图。b, 随应变增加，裂纹在微结构薄膜中扩展的SEM 图，比例尺为5 μm和2.5 μm（插图）。c，倒伏纳米圆锥结构应变分布的FEA仿真结果。d, 由不同结构的金属薄膜构成的应变传感器的工作范围。插图：10%应变下这些薄膜表面的SEM图像。比例尺，100 μm。e, 工作范围随PDMS重量比的变化而变化。f, 不同预应变处理的传感器对应变的响应。插图：应变传感器的灵敏度与预拉伸的关系。g, 基于经80%预应变处理的12:1 PDMS制造的具有最佳性能的应变传感器的性能曲线。插图显示，在80%的预应变下，灵敏度达到最大值。h, 不同应变下，传感器的响应时间和弛豫时间。i, 应变传感器在1000 次重复加载15%应变下的电阻值变化。插图：从第78到第82和918到932个周期的放大片段。
3.剪切力传感器
图3a展示了剪切力传感器的结构设计，其包括四个基本单元，它们和应变传感器有着相似的结构，但具有不同的机械刚度（4:1 PDMS 混合比例），它们围绕在一个固定在倒伏纳米圆锥PDMS 薄膜上的PET 隔离片周围（尺寸为1×1 cm2）。集成了四个单元的倒伏纳米圆锥PDMS 薄膜放置在PDMS 垫片和压力传感器的上方，利用PDMS 垫片和PET 隔离片固定PDMS 薄膜的四条边，使四个剪切力传感单元悬空，它们分别负责四个方向剪切力的识别，它们皆具有高灵敏度（0.1 N-1），高线性度和良好的性能稳定性（1000次循环测试中，传感单元的电阻浮动值小于0.2%）。 
图3 |剪力传感器的特性。a， 基于倒伏纳米圆锥微结构的剪切力传感器的示意图。b, 相对电阻随所施加的剪切力而变化。c， 加载和释放0.4 N剪切力时的响应和弛豫试验。d, 在1000 次重复测试过程中剪切力传感器的电阻变化。e， 从第186个周期到第200个周期的放大片段。
4.压力传感器
为了进一步提升压力传感器在灵敏度，该研究采用了一种半椭球微结构PDMS 上电极和波浪状微结构介质层。如图四所示，该微结构电容式压力传感器由镀有Ti/Au 且具有半椭球结构的PDMS (4:1 混合比例) 上电极，波浪状微结构PDMS 弹性介质层和镀有Ti/Au 的PET 下电极组成。实验与仿真的结果吻合，结果表明，与无该微结构上电极的压力传感器相比，具有半椭球微结构上电极的压力传感器的灵敏度在低压范围提升了三倍，在高压范围提升了一个量级，低压范围（<1 kPa）的灵敏度为3.87 kPa^-1，高压范围（1 kPa-25 kPa）的灵敏度为0.13 kPa^-1，指标超过了以往文献的报道值。 
图4 |压力传感器的特性。a， 基于半椭球和波浪状微结构PDMS薄膜的压力传感器的示意图。b， 具有不同结构上电极的压力传感器电学性能表征的实验结果（实线）和仿真结果（虚线）。c， 具有不同PDMS 混合比例电极的压力传感器响应曲线。d， 随着压力的增加，H-E和波浪状微结构之间界面处应力分布的有限元仿真结果。e， 加载和释放0.2 kPa压力时的响应和弛豫试验。f， 在循环施加压力下，电容随时间的变化。g， 10000次重复加载0.2 kPa压力，压力传感器的电容变化。插图：1237至1253和8737至8753周期的放大片段。
5. 用于独立机械刺激识别的集成E^MMSR-skin皮肤单元
如上所述，通过材料选择和结构设计实现了具有独特三维空间结构的E^MMSR-skin。如图五 所示，E^MMSR-skin 的每个单元集成了2 个应变传感器、1 个剪切力传感器和1个压力传感器，仿真结果和实验结果同时证明了这些传感器只对相应的机械刺激响应，可实现对两个方向的应变（x 轴和y 轴），四个方向的剪切力（+x 轴、-x 轴、+y 轴和-y 轴）和压力的测量与区分。所设计的EMMSR-skin 的主要优点可概括为：每个传感器只对特定的机械刺激有响应，这使系统不仅能够单独识别应变、剪切力和压力，还能在受到复合刺激时快速而简易地对信号解耦，这有利于电子皮肤实现多种机械刺激的时空感知。 
图5 | E^MMSR-skin对应变、剪切和压力的独立识别。a, 示意图显示了E^MMSR-skin的每个传感器对特定机械刺激的响应。每个传感器对沿b, x轴方向和c, y轴方向的应变的响应，以及沿x轴应变下系统中最大主应变分布的FEA仿真结果。每个传感器对e，+x轴方向，f，-x轴方向，h，+y轴方向以及i，仿真结果-y轴方向上的剪切力的响应，g, +x轴上0.126 N剪切力下系统中最大主应变分布的FEA结果。j， 每个传感器对压力的响应，以及k, 在0.126 N压力下系统中最大主应变分布的有限元分析结果。
6. 多种机械刺激的实时记录与空间映射
在实际情况中，在大多数情况下，与人类皮肤的相互作用涉及多个机械刺激成分。E^MMSR-skin中每个传感器的选择性和独立响应使系统能够快速简单地解耦相互作用，从而实现同时识别和测量其中每个机械刺激成分。如图六a 所示，所提出的E^MMSR-skin 能实时记录和区分外界刺激，实验结果证明了E^MMSR-skin 具有实时区分应变、剪切力和压力的能力，从而能完成对多种机械刺激的时空映射。如图六b-e 所示，实验结果表明，通过实时地对多种机械刺激进行空间分布映射，该电子皮肤能实现手势识别。此外，所制备的EMMSR-skin 还能感知和定位轻微物体，将E^MMSR-skin 贴在手上，能感知和定位手上0.065 g 的红豆，如图六f所示。 
图6 |多个机械刺激的实时记录和映射。a, 顶部图展示了E^MMSR-skin的照片，包括按压、剪切、拉伸以及它们的组合。底部图记录E^MMSR-skin中不同传感器的实时响应。在b，触摸，c，按压, d，用两个手指向外捏,和e,向内捏和f, 感觉到手上有一个0.065克的红豆的情况下, E^MMSR-skin的照片和相应的机械刺激映射。绿色条表示压力传感器相对电容的变化，蓝色条表示剪切力传感器相对电阻的变化，红色条表示应变传感器相对电阻的变化。

结论

该研究报道了一种由应变、剪切力和压力传感器组成的仿生E^MMSR-skin，其中每个传感器仅对所需的机械刺激作出响应，以实时提供应变、剪切和压力的解耦信息。创新的微结构被引入到不同的传感器中，以在集成系统中实现高性能。多个机械刺激的时空识别和手上轻量级物体的感知演示表明E^MMSR-skin在柔性触摸屏、假肢、机器人和其他先进的可穿戴临床/生物技术应用场景具有潜力。

作者简介

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胡又凡，北京大学信息科学技术学院长聘副教授，主要研究领域为柔性电子器件与系统集成，研究内容包括高性能传感器、柔性碳基集成电路、能量采集器和智能化纳米集成传感系统。

原文链接：

Zeng, X.; Liu, Y.; Liu, F.; Wang, W.; Liu, X.; Wei, X.; Hu, Y.; A Bioinspired Three-dimensional Integrated E-skin for Multiple-Mechanical Stimuli Recognition. Nano Energy 2021, 92, 106777https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106777

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