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型電子皮膚輕薄柔軟，整合度高（圖片來源：參考文獻 1）新型電子皮膚電路概念圖（圖片來源：參考文獻 1）版權圖庫圖片，轉載使用可能引發版權糾紛
想象一下，如果你能給機器人穿上一件「魔法外衣」，讓它能像人類一樣感受觸摸、壓力和摩擦，那會是什麽樣子？這已不再是科幻小說中的遐想，它已成為現實。
清華大學的科學家們最近在電子皮膚領域取得了突破性進展，
他們開發出了一種具有仿生三維架構的新型電子皮膚，為未來的機器人技術和醫療裝置帶來了革命性的可能。
仿生三維電子皮膚實物圖。圖片來源：清華大學
模仿自然的奇跡：電子皮膚的誕生
電子皮膚是一種模仿人類皮膚功能的高科技傳感器系統。它就像是機器人或智慧裝置的第二層皮膚，能夠感知外界的各種刺激。
長期以來，科學家們一直在努力讓電子皮膚更接近人類皮膚的復雜功能。而清華大學航天航空學院、柔性電子技術實驗室的張一慧教授及其團隊，從人類皮膚的精妙結構中獲得了靈感，實作了電子皮膚從平面到立體的飛躍。
我們的皮膚之所以如此神奇，是因為它不是一個簡單的平面結構。想象一塊三層的海綿蛋糕，它有蓬松的表面、松軟的內部和稍微緊實的底部。我們的皮膚也是類似的三層結構：表皮、真皮和皮下組織。每一層都有不同的功能和特性。
清華大學的科學家們正是基於這種復雜的結構，設計出了一種全新的電子皮膚，它不僅模仿了人類皮膚的三層結構，還復制了皮膚內部感受器的三維分布。
皮膚的結構與仿生三維電子皮膚概念圖（圖片來源：參考文獻 1）
仿生三維電子皮膚的秘密：
精妙結構與超凡感知
清華大學研發的這種新型電子皮膚，就像人類皮膚一樣，也由表皮、真皮和皮下組織三層組成。
表皮層就像我們皮膚的最外層，柔軟而敏感，能夠快速感知輕微的觸碰。真皮層位於中間，包含了大部份傳感元件，負責精確辨識壓力和摩擦力。這一層中的傳感器采用了獨特的八臂籠狀結構設計，使其能更好地捕捉外部刺激。皮下組織層則是最內層，主要感知皮膚的整體變形，就像我們感覺到皮膚被拉伸或壓縮。
在這個精巧的三層結構中，科學家們巧妙地設計了傳感器的分布，模仿了人類皮膚中梅克爾細胞和魯菲尼氏小體的空間分布。
力傳感單元位於「籠子」的上部，更靠近皮膚表面，對外部壓力極其敏感，就像我們皮膚中的梅克爾細胞，能夠精確感知輕微的觸摸。
應變傳感器則位於底部的拱形結構上，與力傳感單元保持一定距離，這種設計使得應變傳感器主要對皮膚的拉伸敏感，而不受壓力幹擾，類似於人類皮膚中的魯菲尼氏小體。
這種獨特的三維布局讓電子皮膚能夠同時感知並區分壓力、剪下力和應變，就像我們的皮膚一樣。
更令人驚嘆的是，這種新型電子皮膚的感知精度可以達到 0.1 公釐，這意味著它幾乎可以感知到一根頭發絲放在上面的位置，這種精度已經非常接近人類皮膚的極限了。
智慧解碼與深度學習：
賦予電子皮膚「思考」能力
僅僅有精密的傳感器是不夠的，就像我們的大腦需要解讀神經傳來的訊號一樣，電子皮膚也需要一個「神經中樞」來理解這些數據。
清華大學的科學家們使用了先進的深度學習演算法，
讓電腦能夠快速處理和解讀這些復雜的訊號。這就好比是教會了電子皮膚如何「思考」和「理解」它所感受到的世界。
透過這種方法，電子皮膚不僅可以感知物體的存在，還能判斷物體的硬度和形狀。
想象一下，機器人僅僅透過觸摸就能分辨出蘋果是新鮮的還是已經變軟了，這是多麽神奇的能力！這種技術為未來的智慧裝置開辟了無限可能。
在醫療領域，新型電子皮膚可能會被用於制作超級靈敏的醫療手套，幫助醫生進行早期診斷。它可能能夠感知到普通人難以察覺的微小腫塊或組織異常。張一慧教授提到，這種電子皮膚還可以像創可貼一樣貼在人的皮膚上，即時監測血氧等健康數據，為我們提供一個隨身攜帶的健康監測系統。
未來展望：從科幻到現實的跨越
清華大學科研團隊的這項突破，不僅是中國科技實力的一次有力展現，更是人類探索自身奧秘、挑戰自然極限的又一裏程碑。
這種電子皮膚技術在多個領域都有廣闊的套用前景。
在智慧假肢領域，它可能讓失去肢體的人重新獲得觸覺，感受愛人手的溫度或孩子臉頰的柔軟。在工業領域，裝配線上的機器人可以更加小心翼翼地處理脆弱的零件，就像有著靈巧雙手的工匠一樣。
在人機互動方面，我們的智慧裝置可能變得更加智慧和人性化，能夠感知我們的情緒狀態，或在虛擬現實中提供真實的觸感體驗。
盡管這項技術非常令人興奮，但將其大規模套用於現實世界還面臨一些挑戰，如耐久性、成本、能源供應和數據處理等問題。然而，這些挑戰並不能掩蓋這項技術的巨大潛力。也許在不久的將來，當你和機器人握手時，對方的手是能夠用溫柔的觸感回應你的「智慧皮膚」。
參考文獻
[1]Weichen WANG et. al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨李金娟 早稻田大學
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來、林林
