济南大学李阳教授和北理工沈国震教授《Adv. Mater.》：人工智能驱动的人体全皮肤仿生电子皮肤 - 从感知到认知的触觉传感

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触觉感知是指通过人体皮肤直接获取接触/非接触信息的能力，其实现主要依赖于皮肤内外独特而完美的生物结构。研究发现，皮肤内部的表皮、真皮和皮下组织都是由一系列交错排列的“互锁”微脊状结构组成，有助于集中和放大局部应力，从而使触觉感受器能够快速获取外部刺激信息；除了这三种结构层外，人体皮肤外部的汗毛结构在人类触觉感知中也是必不可少的，因为由外部刺激引起的汗毛根部的轻微运动可以被附近的受体捕捉到。此外，触觉认知作为触觉感知更深层次的体现，它将皮肤获得的感知信息转化为生物电脉冲，进而以传入神经为载体传递到大脑的中枢神经系统。经过复杂的分析、处理和学习，可以获得更深层次的且难以直接测量的信息。

近期，济南大学李阳教授团队和北理工沈国震教授团队通过将摩擦电效应与超电容离子效应相结合，提出了一种基于仿生汗毛和表皮-真皮-皮下组织双互锁微锥结构的高性能全皮肤仿生(FSB)电子皮肤(e-skin)，并展示了其从触觉感知到先进智能触觉认知的应用前景。FSB e-skin拥有一系列优异的性能，包括8053.1 kPa^-1(<1 kPa)的超高灵敏度，3103.5 kPa^-1 (1-34 kPa)的线性灵敏度，快速响应/恢复时间(<5.6 ms)和低检测极限(0.05 Pa)，这些都是满足智能化需求的关键。为了证明FSB e-skin具有从触觉感知到先进智能触觉认知的能力，探索了三种具体应用：(1) 基于FSB e-skin的摩擦电效应，开发了汗毛状结构的柔性触觉感知阵列来模拟汗毛的静态/动态非接触式触觉感知。(2) 在FSB e-skin的超级电容离子效应的支持下，开发了一种基于多层感知机(MLP)神经网络的手势形态认知手套佩戴系统，以促进一般智能触觉认知，包括手语者和非手语者之间的正常交流和无线机器手交互。(3) 作为本工作的核心，借助摩擦电效应和超级电容离子效应的协同作用，并将FSB e-skin与6层MLP神经网络和信号采集、传输、处理、显示等功能模块相结合，构建了先进智能材料认知系统。该系统能够通过一次接触实现对12种形态模糊、表面光滑材料的实时识别，平均准确率达到98.34%。在此基础上，还构建了一种柔性材料认知阵列，以说明其在同时感知多个物体的材料特性和位置方面的应用潜力。

图1 基于FSB e-skin的从感知到认知的触觉传感示意图

图2 超级电容离子式e-skin部分和摩擦电式e-skin部分的性能表征

图3 非接触式感知和手势认知系统的演示

图4 先进智能材料认知系统演示

该工作以“Perception-to-cognition Tactile Sensing Based on Artificial intelligence-motivated Human full-skin Bionic Electronic Skin”为题发表在《Advanced Materials》上(Doi: 10.1002/adma.202202622)。济南大学牛闳森(硕士研究生)，李浩(硕士研究生)和高嵩副教授为共同第一作者，济南大学李阳教授和北理工沈国震教授为共同通讯作者。

全文链接：

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

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