人体皮肤对机械刺激的感知源于机械感受器的转导，其能够将外力转化为电信号。尽管模仿这些机械感受器的空间分布可以开发能够解耦法向/剪切力和应变的电子皮肤，但它仍然难以捉摸。 在此，清华大学张一慧教授等人报道了一种三维（3D）架构的电子皮肤（表示为3DAE-Skin），其力和应变传感组件以3D布局排列，模仿人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。其中，该3DAE-Skin在法向力、剪切力和应变方面表现出出色的解耦传感性能，并能够开发一种触觉系统，用于通过触摸同时测量物体的模量/曲率。进一步演示也展示了包括对具有不同形状和新鲜度的水果、面包和蛋糕进行快速模量测量。
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由于皮肤对多模态机械刺激的解耦感知能力以及大脑对感知信号的学习和处理能力，人类可以完成灵巧的操作、环境探索和对触摸物体物理特性的感知，以及其他触觉任务。生物学研究表明，人类皮肤对机械刺激的感觉源于皮肤中机械感受器的转导，它将施加在皮肤上的力转化为电信号，通过轴突传播到中枢神经系统（CNS）。Merkel细胞和Ruffini末梢是两种缓慢适应的机械感受器，它们分别位于表皮底部和真皮内，在三维（3D）空间中具有密集分布的阵列。由于由真皮中的胶原纤维网络支持的Merkel细胞非常靠近皮肤表面，因此当诱导应力从加载区域迅速衰减时，它们对施加在皮肤上的力高度敏感。与Merkel细胞相比，Ruffini末梢分布在离皮肤表面更远的地方，因此即使皮肤本身被拉伸，对外力（例如压力）也不那么敏感。
由于机械感受器的这种3D分布，Merkel细胞和Ruffini末梢可以分别有效地感知外力和皮肤的应变。
模仿上述皮肤中机械感受器的空间分布可以开发能够解耦法向/剪切力和应变的人造电子皮肤，但由于难以实现具有良好控制的传感组件的3D电子设备，因此仍然极具挑战性。尽管已经报道了许多鼓舞人心和令人兴奋的电子皮肤发展，例如表皮电子学，神经形态皮肤电子系统，皮肤集成电子系统，具有本质可拉伸电子元件的电子皮肤和用于多参数传感和触觉接口的电子皮肤，但它们都没有模仿机械感受器的3D空间分布。此外，在接近人体皮肤的空间分辨率下，法向力、剪切力和拉伸应变的解耦测量也仍然难以捉摸。
基于此，作者采用类似皮肤的多层结构，报道了一种仿生设计的3D架构电子皮肤（表示为 3DAE-Skin），其中力和应变传感组件以3D布局排列，模仿皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢（图1A）。
同时，微纳加工技术能够形成由层压力和应变传感阵列组成的多层电子设备，通过精确控制的机械组装将其转换为仿生3D配置。3D架构设备的异构封装策略确保周围的力和应变传感组件的软材料，具有与皮肤中Merkel细胞和Ruffini末梢相似的机械性能。此外，3DAE-Skin的实验和理论研究表明，在法向力、剪切力和应变方面具有优异的解耦传感性能。
此外，实时定量评估接触状态和物体信息的功能对人机交互、仿人机器人、智能假肢和自动检测仪器也有重要意义。例如，通过测量设备与不同目标物体之间的摩擦系数，3DAE-Skin 系统可以区分粗糙表面和光滑表面。尽管所展示的3DAE-Skin是为模仿指尖感知而开发的，但其设计和制造方法是可扩展的，可扩展用于其他类型的假肢/机器人系统。更准确来说，进一步提高3DAE皮肤的细胞密度，可以通过减少二维前驱体结构尺寸和增加三维装配中使用的双轴预应变幅度来实现，但这往往受限于光刻技术的分辨率。
综上所述，本文基于受生物启发的三维架构设计、异质封装策略和微加工技术，开发出的3DAE-Skin通过模仿人体皮肤中Merkel细胞和Ruffini末梢的空间排列，实现了皮肤的多层几何/机械特性。具体来说，这种受生物启发的设计利用了力和应变传感组件的三维分布，以及E-Skin中的刚度变化，以实现对法向/剪切力和拉伸应变的解耦感知。同时，将3DAE-Skin与深度学习算法辅助的数据采集/处理模块集成，可以开发出一种能够具有与人类皮肤相当的空间分辨率的法向/剪切力感知的触觉系统，以及通过简单的触摸物体同时测量模量和曲率。最后，本文开发了一种基于3DAE-Skin的触觉系统、数据采集电路和深度学习辅助信号处理模块，只需轻轻一按即可同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。
Zhi Liu†, Xiaonan Hu†, Renheng Bo†, Youzhou Yang, Xu Cheng, Wenbo Pang, Qing Liu, Yuejiao Wang, Shuheng Wang, Shiwei Xu, Zhangming Shen, Yihui Zhang*, A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation. (2024).
