戍天九思原创第735期

据6月5日《科技日报》报道，清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室张一慧教授课题组，创新性研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤系统，可在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解码和感知，对压力位置的感知分辨率约为0.1毫米，接近于真实皮肤。目前这一科研成果属于世界首个，相关论文发表在最新一期的国际学术期刊《科学》上。

▲具有三维架构的电子皮肤：仿生设计概念及真实器件图片。A图展示电子皮肤的仿生设计概念；B图为贴于机械手指尖的电子皮肤；图C-G为电子皮肤的照片、力传感单元与应变传感器局部放大图及应变栅线与过孔局部显微放大图片。

这款电子皮肤系统的主要突破和特点

报道称，这种三维电子皮肤与皮肤结构类似，也由“表皮”“真皮”和“皮下组织”组成，且各层的有效模量与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路主要位于“真皮”层中，其中，力传感单元设计为八臂笼状结构，传感器位于笼状结构上部，更靠近电子皮肤表面，因而对外部作用力高度敏感；应变传感器位于器件底部的拱形结构上，在垂直高度上与力传感单元上部的传感器保持一定距离，因此，只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。

基于这种具有三维架构的电子皮肤，研究人员结合深度机器学习算法，研制出只需通过触摸便可同时测量物体模量及局部主曲率的先进触觉系统，展示了其在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用，体现其在物理量定量测量（如摩擦系数等）、人机交互等领域的应用潜力。具体来说，有三大特点：

一是像皮肤一样多种感知。在人体皮肤中，神经检测压力或温度变化，然后向大脑发送电信号。这款电子皮肤模仿了生物皮肤的结构和功能，在物理层面实现了对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知。

二是人机交互体验感强。电子皮肤通过相同单元来同时检测温度、压力和湿度等不同物理量，既可有效避免信号干扰，还能通过触觉反馈实现远程“触摸”，增强人机交互的体验感。

三是系统自供电。这款电子皮肤可通过摩擦电和压电效应将机械能转化为电能，实现自供电，在没有外部电源的情况下也能持续工作。

电子皮肤军用潜力巨大

这种电子皮肤用途广泛，民用可用于医疗健康、机器人技术、虚拟现实与增强现实、智能穿戴设备、环境监测、生物传感器等等。军用电子皮肤早已突破，而且在昂贵的五代机上已经率先用上了。现在，中国军民融合、两条腿走路，就会走得更快，关键是要进一步降低成本。笔者认为，军用主要有四大用途：

1、用于智能军服和防弹衣——提高防护能力。智能军服是通过集成多种技术（智能材料、电子信息、计算机控制等）来实现对光、电、热、力、磁等战场态势变化的智能感知，并做出积极响应的装备系统。这种系统被称为士兵的“第二皮肤”，具备优异的保护和监测功能。此外，将电子皮肤嵌入防弹衣或其他防护装备中，可以实时监测到子弹、弹片或其他尖锐物体对装备的冲击情况。通过分析收集到的数据，可以更准确地评估防护装备的防护效果和性能，为军事人员提供更安全的保护。

2、用于隐形飞机和潜艇——可智能感知和隐身。

在隐形飞机上，电子皮肤通过集成多模式传感器技术、微机电技术等，能够实现对外界环境的高灵敏度感知，同时保持隐身性能。不仅能使飞机在空中进行有效的通信和导航，还能在必要时刻迅速调整其结构以适应不同的飞行条件，从而提高飞行安全性和效率。目前，F-35、歼-20采用的智能蒙皮技术就是一种电子皮肤。

在潜艇上，2022年10月，中国科学技术大学与中国科学院深圳先进技术研究院合作研发的全球首款水下多模态电子皮肤，展示了其在水下场景中的应用潜力。该电子皮肤能够实现水下触觉信号和环境信号的一体化监测，包括接触压、触觉图像、温度、深度和盐度等多模态传感方式。不仅有助于潜艇在复杂水下环境中进行精确操作，还能增强其隐身能力，使潜艇在执行任务时更加难以被探测到。

3、用于无人机控制系统——实现精确控制。这款电子皮肤可以实现对“接触力、接触位置、接近度和温度”的多模态感知，这种多模态感知能力使得电子皮肤能够更好地理解和响应环境变化，从而提高无人机的操作灵敏度和准确性。

4、用于人形机器人——提高多维感知能力。通过模仿人类皮肤的延展性、自愈能力、高机械韧性和触觉感知能力，能够显著提升机器人的外界感知能力，不仅能让机器人更好地理解和适应环境，还能在医疗、救援、探险等复杂环境中进行精细化操作。比如，在手术中，医生可以佩戴电子皮肤让手术机器人获取实时信息，能够像人一样感知手术过程中病人的各种变化，从而提高手术的精准度。

总之，电子皮肤，潜力无限，未来可期。