具有仿生感官反饋功能的全柔性電子皮膚系統(tǒng)

供稿人：李紅艷、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

皮膚為我們的身體提供了一層保護(hù)層，它也能夠?qū)崿F(xiàn)詳細(xì)的感官反饋和與周圍環(huán)境的柔和互動。在未來的機器人與醫(yī)療設(shè)備中，同時模仿天然皮膚的感官反饋和機械特性的人造皮膚具有很大前景。

美國斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊提出了一種低電壓驅(qū)動、可監(jiān)測壓力與溫度、并且能輸出序列脈沖信號的可拉伸柔性電子皮膚系統(tǒng)（圖1A）。該電子皮膚系統(tǒng)沒有任何剛性電子元件，可以模擬生物皮膚的感官反饋功能，包括多模態(tài)接收、神經(jīng)樣脈沖序列信號調(diào)理和閉環(huán)致動。

圖1 柔性電子皮膚系統(tǒng)(A)及其內(nèi)部三層電介質(zhì)示意圖(B)

電子元件通常由剛性半導(dǎo)體制成，并且它們只能在高電壓下工作，這對于可穿戴設(shè)備來說在便捷性和安全性上存在很大的不足。理想的柔性電子皮膚當(dāng)中的電子元器件需要有較低的工作電壓，并且構(gòu)建有復(fù)雜的信號調(diào)理電路?，F(xiàn)有的柔性電子設(shè)備仍然需要高工作電壓（30至100 V），這會產(chǎn)生安全和功耗問題。降低驅(qū)動電壓需要增加?xùn)艠O電容，這需要具有高介電常數(shù)的薄介電層。作為介電彈性體的丁腈橡膠中的丁腈基團(tuán)極化使其有較高的介電常數(shù)，但其磁滯大、遷移率低，對實現(xiàn)低驅(qū)動電壓和高載流子遷移率形成了挑戰(zhàn)。

鮑哲南團(tuán)隊開發(fā)了一種三層電介質(zhì)（圖1B），通過超薄的非極性聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）彈性體涂層鈍化高介電常數(shù)丁腈橡膠，然后進(jìn)行疏水性十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）分子修飾，從而獲得了較為理想的材料性能。相比于普通單層結(jié)構(gòu)，載流子遷移率提高了約50倍。基于該材料的良好的耐溶劑性和圖案化性，又構(gòu)建了可拉伸有機晶體管陣列，并進(jìn)一步集成制造了用于直接皮膚操作的低壓功能電路。這種全柔性的集成化電子皮膚系統(tǒng)，具有仿生感官反饋的功能和低驅(qū)動電壓、高電路復(fù)雜性的特點，有助于皮膚義體、人機交互和神經(jīng)機器人技術(shù)的未來發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：
Weichen Wang et al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin. Science. 2023. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086