受生物启发的杨氏模量分层电子皮肤——解耦多模态和神经形态编码输出

以下文章来源于Artificial Synapse ，作者Synapse

研究背景

过去几十年来，能够提高截肢者生活质量的假肢一直是研究的热点。如今，商用假肢越来越先进。然而，它们并不能提供与物体或动作互动的自然感官信息。其固有的缺点包括: 对假肢的操作不符合生物学原理，难以控制假肢施加的力量，从而导致没有自主权，并可能造成健康问题。因此，恢复截肢者从假肢获得的自然感觉反馈是一项尚未满足的临床需求。传统的电子皮肤通常通过与皮肤集成的致动器或电子触觉技术提供触觉反馈。然而，电子皮肤并不直观，不能被神经接受，而且需要大脑进行二次信号解码。理想的义肢应能通过将义肢获取的复杂信号传递给神经系统，从而激发自然的触觉或本体感觉。对于多模态机械/环境刺激(温度、压力等)，如何在不相互干扰的情况下产生具有生物学合理性的频率尖峰仍是一个挑战。此外，对于假肢的操纵状态和接触物体认知等复杂任务其神经编码后的频域模式是否适合进行神经分析，尚未得到探索和验证。

在这些多模态刺激中，通过热敏感受器、慢适应 (SA)感受器和快适应(FA)感受器对热冷和压力的感知对生存最为重要，是与周围世界互动的基础。然而，从简单集成的设备中获取的双重信号是混合和重叠的，因此很难将温度和压力信号独立解耦。如今，许多研究都致力于解耦温度和压力信号。这些设备利用对压力不敏感的热电和热释电效应监测温度，并基于压阻和电容效应检测压力：1)由于软材料的低塞贝克/热电系数，温度灵敏度相对较低；2)无法获得绝对温度值；3)由于传感机制和输出信号不同，信息采集和处理系统复杂；4)制备过程复杂。这些挑战阻碍了它们在需要在紧凑系统中精确采集温度-压力的应用中的适应性。

研究成果

作为残疾人的关键界面，最佳假肢应通过将假肢获取的多模态信号明确传递给神经系统，从而激发皮肤触觉或本体感觉的自然感觉，而这仍然是一项挑战。东南大学吴俊、石琼锋&北京理工大学沈国震教授等人受人体皮肤高低模量分层结构的启发，开发了一种具有解耦能力的生物启发温压电子皮肤(TPD e-skin)，以恢复这种功能。由于采用了仿生双态放大微结构和接触电阻调制，MXene TPD 电子皮肤在很宽的压力范围内表现出很高的灵敏度和出色的温度不敏感性 (91.2% reduction)。此外，高低模量结构配置使热敏电阻具有压力不敏感性。此外，还提出了一种神经模型，可将温度-压力信号中性编码为三种神经可接受的频率信号，分别对应热敏感受器、慢适应感受器和快适应感受器。在频域神经编码后，时域中的四种运行状态也被区分开来。此外，还构建了基于类脑机器学习的频率信号融合过程，以分析频率模式，实现高达 98.7% 的物体识别准确率。TPD神经系统具有多模态解耦传感和深度神经集成的能力，有望成为先进的假肢设备。相关研究以“Bioinspired Young’s Modulus-Hierarchical E-Skin with Decoupling Multimodality and Neuromorphic Encoding Outputs to Biosystems”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of the proposed TPD e-skin system.

Figure 2. Structure and characterizations of the TPD e-skin.

Figure 3. Sensing mechanism and performance of the TPD e-skin.

Figure 4. Frequency modulation for the TPD e-skin system.

Figure 5. Demonstration of brain-like object recognition system based on neurally coded frequency signals.

总结与展望

在这项工作中，作者开发了一种具有解耦温压传感和神经可接受的神经编码能力的 TPD电子皮肤系统。TPD 电子皮肤具有仿生皮肤般的分层结构和高低模量配置，可通过丝网印刷技术和逐层组装快速廉价地制造出来。得益于由梧桐树皮铸造的仿生双态放大微结构的中继效应，TPD  e-skin 具有高灵敏度 (30-50 kPa 时为 795 kPa-1，100-300 kPa 时为 1319 kPa-1)和 300 kPa 以上的宽压力感应范围。TPD e-skin 中的压力传感器通过外部压力调节接触电阻。这种接触电阻本身对温度并不敏感，与纯 MXene 薄膜相比，可将温度响应降低91.2%。此外PET-Ecoflex 薄膜的高低模量配置使得 TPD 电子薄膜对温度不敏感。此外TPD电子皮肤系统配有定制的信号处理和无线传输模块，不需要笨重的测量仪器，适用于多功能机器人和假肢的实际应用。最后，通过计算神经模态，将双模温压信号编码为三类频率信号，类似于 SA 感受器、FA 感受器和热感受器。经过神经编码后，时域中的四种工作状态在频域中也得到了区分。此外，还针对神经编码的频率信号开发了基于一维 CNN的类脑融合程序，可识别 15 种物体，准确率高达 98.7%。该工作为实现先进的智能假体皮肤提供了一条新途径，使其能以神经可接受的方式与生物系统对接。在今后的工作中将重点从传感器、硬系统、算法等方面对 TPD 电子皮肤神经系统进行优化，力争将该系统移植到更加微型化的系统中，从而具备更高的应用价值。

文献链接

Bioinspired Young’s Modulus-Hierarchical E-Skin with Decoupling Multimodality and Neuromorphic Encoding Outputs to Biosystems

https://doi.org/10.1002/advs.202304121

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