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觸覺感知是指通過人體皮膚直接獲取接觸/非接觸信息的能力，其實現主要依賴於皮膚內外獨特而完美的生物結構。研究發現，皮膚內部的表皮、真皮和皮下組織都是由一系列交錯排列的「互鎖」微脊狀結構組成，有助於集中和放大局部應力，從而使觸覺感受器能夠快速獲取外部刺激信息；除了這三種結構層外，人體皮膚外部的汗毛結構在人類觸覺感知中也是必不可少的，因為由外部刺激引起的汗毛根部的輕微運動可以被附近的受體捕捉到。此外，觸覺認知作為觸覺感知更深層次的體現，它將皮膚獲得的感知信息轉化為生物電脈衝，進而以傳入神經為載體傳遞到大腦的中樞神經系統。經過複雜的分析、處理和學習，可以獲得更深層次的且難以直接測量的信息。
近期，濟南大學李陽教授團隊和北理工沈國震教授團隊通過將摩擦電效應與超電容離子效應相結合，提出了一種基於仿生汗毛和表皮-真皮-皮下組織雙互鎖微錐結構的高性能全皮膚仿生(FSB)電子皮膚(e-skin)，並展示了其從觸覺感知到先進智能觸覺認知的應用前景。FSB e-skin擁有一系列優異的性能，包括8053.1 kPa-1(<1 kPa)的超高靈敏度，3103.5 kPa-1(1-34 kPa)的線性靈敏度，快速響應/恢復時間(<5.6 ms)和低檢測極限(0.05 Pa)，這些都是滿足智能化需求的關鍵。為了證明FSB e-skin具有從觸覺感知到先進智能觸覺認知的能力，探索了三種具體應用：(1)基於FSB e-skin的摩擦電效應，開發了汗毛狀結構的柔性觸覺感知陣列來模擬汗毛的靜態/動態非接觸式觸覺感知。(2)在FSB e-skin的超級電容離子效應的支持下，開發了一種基於多層感知機(MLP)神經網絡的手勢形態認知手套佩戴系統，以促進一般智能觸覺認知，包括手語者和非手語者之間的正常交流和無線機器手交互。(3)作為本工作的核心，藉助摩擦電效應和超級電容離子效應的協同作用，並將FSB e-skin與6層MLP神經網絡和信號採集、傳輸、處理、顯示等功能模塊相結合，構建了先進智能材料認知系統。該系統能夠通過一次接觸實現對12種形態模糊、表面光滑材料的實時識別，平均準確率達到98.34%。在此基礎上，還構建了一種柔性材料認知陣列，以說明其在同時感知多個物體的材料特性和位置方面的應用潛力。
圖1基於FSB e-skin的從感知到認知的觸覺傳感示意圖
圖2超級電容離子式e-skin部分和摩擦電式e-skin部分的性能表徵
圖3非接觸式感知和手勢認知系統的演示
圖4先進智能材料認知系統演示
該工作以「Perception-to-cognition Tactile Sensing Based on Artificial intelligence-motivated Human full-skin Bionic Electronic Skin」為題發表在《Advanced Materials》上(Doi: 10.1002/adma.202202622)。濟南大學牛閎森(碩士研究生)，李浩(碩士研究生)和高嵩副教授為共同第一作者，濟南大學李陽教授和北理工沈國震教授為共同通訊作者。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202202622
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