深度学习辅助的仿生多功能水凝胶电子皮肤

研究背景

人体皮肤具有极其重要的保护、免疫和触觉功能。受人类天然皮肤的启发，科学家们开发出了各种类型的电子皮肤。触觉传感能力对这些电子皮肤至关重要，例如，它能让智能机器人与周围环境有效互动。基干压阻、电容、压电和摩擦静电等各种机制，已经为电子皮肤开发了多种压力传感技术。除了压力感应外，识别不同类型的材料或纹理/透明度对电子皮肤也至关重要，尤其是当机器人需要真正具备与周围环境进行交互的智能。

人类皮肤的结构层包括表皮、真皮和皮下。为了模拟这种多层皮肤结构，研究人员提出了几种功能和特性与人类皮肤相似的电子皮肤。它还能保护皮肤组织中的毛细血管、腺体和其他物质。它还能保护皮肤组织中的毛细血管、腺体和其他物质。此外，它还能在这一区域生成离子通道，为水分和营养物质提供吸收通道。

最近，水凝胶受到广泛关注，因为它们的机械结构和物理性质与人体组织相似，而且具有超高柔韧性、超强拉伸性、可见光谱透明性、可调导电性和内在生物兼容性等显著优点。水凝胶的多孔结构为离子传导提供了有效通道。此外，水凝胶内部形成的网络具有卓越的机械和功能特性，如变形性、弹性等，尤其是在双网络(DN)水凝胶中。然而，水凝胶中丰富的水分是实际应用的一个障碍。水会在高温甚至室温下蒸发，导致其导电性和柔韧性发生剧烈变化。要克服水凝胶应用的瓶颈，迫切需要开发具有抗脱水和抗冻能力的水凝胶。

研究成果

人们对再造具有表皮和真皮功能的人体皮肤以实现与物理世界的互动有着巨大的需求。中山大学吴进&北京大学张海霞&西北工业大学袁伟正教授等人提出了一种仿生、超灵敏、多功能水凝胶电子皮肤(BHES)。它的表皮功能是用具有纳米级皱纹的PET来模拟的，通过在接触电化过程中获得/失去电子的能力来准确识别材料。内部机械感受器由具有粘滑感应功能的指间银电极模拟，以识别纹理/粗糙度。真皮层功能由水凝胶模拟，实现了高灵敏度(1732 mV/Pa) 大压力范围(20-5000 Pa)、低检测限、快速响应(10 ms)/恢复时间(17 ms)的压力传感器。在深度学习的辅助下，该BHES 在识别材料(10种材料的识别率为95.00%)和纹理(4种粗糙度的识别率为97.20%)方面实现了高准确度和最小干扰。通过集成信号采集/处理电路，展示了一种可穿戴无人机控制系统，该系统具有三自由度运动能力，在软机器人、自供电人机交互界面方面具有巨大潜力。相关研究以“Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Figure 1. Structure design of the BHES.

Figure 2. Characterization of various excellent properties of hydrogels.

Figure 3. Characterization of pressure sensing module of the proposed BHES.

Figure 4. Material and roughness identification process and results.

Figure 5. The implementation of the BHES for human−machine interfaces application.

总结与展望

本研究利用纳米级皱纹PET和DN水凝胶提出了一种受人体皮肤启发的超灵敏多功能水凝胶电子皮肤。引入纳米级皱纹图案PET是为了模仿表皮表面并产生接触通电机制。此外， DN水凝胶还被用作摩擦层和导电电极，以提高装置的灵敏度。所设计的DN水凝胶具有超强的抗脱水和抗冻能力出色的透明度(在可见光谱中超过85%和令人赞叹的电稳定性。精心设计的BHES可用作压力传感器，在相对较宽的压力范围(20-5000 Pa)内具有高灵敏度(1732 mV/Pa) 低检测限和超快响应(10 ms)/恢复(17 ms)。多功能BHES使机器人具备了材料识别和纹理识别能力。在深度学习的辅助下，10种材料和4种粗糙度的识别准确率分别达到95.00%和97.20%。通过进一步将BHES与信号采集/处理电路相结合，该传感器展示了其作为人机界面的能力，可通过监测人的手势来调节无人机的运动。这项研究可用干智能机器人，并在交互式人机界面方面展现出巨大潜力。

文献链接

Deep-Learning Enabled Active Biomimetic Multifunctional Hydrogel Electronic Skin

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05253

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