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眾所周知，具有同時模仿天然皮膚的感官反饋和機械特性的人造皮膚為下一代機器人和醫(yī)療設備帶來了巨大的希望，但如何實現(xiàn)這樣一個可以與人體無縫融合的仿生系統(tǒng)仍然是一個挑戰(zhàn)。

在此，美國斯坦福大學鮑哲南院士及其合作者通過對材料特性、器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)的合理設計和工程，實現(xiàn)了單片軟假體電子皮膚（e-skin），其能夠進行多模態(tài)感知、神經(jīng)形態(tài)脈沖序列信號生成和閉環(huán)致動。

具體來說，使用三層、高介電常數(shù)彈性電介質(zhì)，實現(xiàn)了與多晶硅晶體管相當?shù)牡蛠嗛撝禂[幅、低工作電壓、低功耗和可拉伸有機器件的中等規(guī)模電路集成復雜性。

其中，本文設計的電子皮膚模仿生物感覺運動環(huán)，當施加增加壓力的刺激時，固態(tài)突觸晶體管會引發(fā)更強的驅(qū)動。

相關(guān)文章以“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”為題發(fā)表在Science。

研究背景

皮膚作為人體與周圍世界之間的主要界面和保護層起著至關(guān)重要的作用。感官能力和皮膚機械柔軟度的結(jié)合不僅使我們能夠毫不費力地感知和對各種外部刺激的反應，而且還使我們能夠在動態(tài)和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行復雜的任務（圖1A）。

不幸的是，患有皮膚損傷或截肢的患者可能嚴重擾亂了感知-行動回路，導致他們即使在物體抓取等簡單任務中也難以掙扎。雖然假肢可以部分恢復運動功能，但其局限性（如幻肢疼痛、不受控制的運動和靈活性差）需要通過結(jié)合感覺反饋和組織順應性來解決。

為了實現(xiàn)自然的人機界面，已經(jīng)使用（例如多模態(tài)感覺，神經(jīng)形態(tài)信號處理，閉環(huán)感知和驅(qū)動）具有類似皮膚特性（例如柔軟和可變形）的電子系統(tǒng)。

實際上，已經(jīng)開發(fā)了復雜的硅（Si）電路來模仿周圍神經(jīng)系統(tǒng)，并在假肢和機器人中體現(xiàn)類似皮膚的感知能力。然而，構(gòu)建一個單片集成的軟電子皮膚（e-skin），將所有所需的電氣和機械功能結(jié)合在一個設備平臺中仍然是一個挑戰(zhàn)。

盡管柔性電子和電路制造取得了進步，但它們在電子皮膚中的應用僅限于用于減少互連布線或作為傳感器信號放大的有源矩陣陣列。

隨著軟電子設備制造的最新發(fā)展，已經(jīng)證明了將剛性和軟組件連接到混合電子皮膚系統(tǒng)的可行性。為了滿足具有生物整合獨特優(yōu)勢的軟電子皮膚系統(tǒng)的嚴格要求，需要克服現(xiàn)有軟電子器件的幾個基本挑戰(zhàn)。

1）在材料層面，需要具有類似組織的機械性能和在生理環(huán)境中的優(yōu)異穩(wěn)定性；

2）在器件層面，需要使用具有出色電子特性的低工作電壓（例如高電荷載流子遷移率和低亞閾值擺幅）進行安全高效的機體操作；

3）在系統(tǒng)層面，需要具有足夠晶體管數(shù)量、邏輯深度和功能復雜性的信號調(diào)理電路；

4）在應用層面，柔軟的電子皮膚需要感官信息的仿生編碼和設備生物界面的神經(jīng)形態(tài)驅(qū)動，以實現(xiàn)自然感覺和低功耗。

圖1.?低壓驅(qū)動人工軟電子皮系統(tǒng)實現(xiàn)仿生雙向信號傳輸

圖文詳解

低壓驅(qū)動、高性能、可拉伸的有機晶體管

現(xiàn)有的可拉伸有機電子設備仍然需要高工作電壓（30~100 V），從而產(chǎn)生安全和功耗問題。降低驅(qū)動電壓需要增加柵極電容，需要具有高介電常數(shù)的薄介電層（圖2Ai），但高κ值和高陷阱密度之間的權(quán)衡使得在可拉伸有機器件中實現(xiàn)低驅(qū)動電壓和高載流子遷移率具有挑戰(zhàn)性。

為了克服這一挑戰(zhàn)，本文開發(fā)了一種三層電介質(zhì)，利用超薄的非極性聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）彈性體涂層（~15 nm）鈍化高κ丁腈橡膠，然后進行疏水性十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）分子修飾（圖2A）。

這種具有合適表面能的介電堆棧在可拉伸半導體層中誘導出理想的納米受限形貌，從而實現(xiàn)高電荷載流子遷移率（圖2C）。因此，與單層丁腈橡膠介電器件相比，在三層設計中，載流子遷移率提高了約50倍，同時保持了低驅(qū)動電壓（圖2C）。

為了量化界面陷阱密度，本文測量了各種介電設計的電荷輸運（Ea）的活化能，NBR-SEBS-OTS與直接自旋鑄半導體的組合顯示出最低的Ea，其介電-半導體界面和最佳的半導體形貌（圖2D）。

同時，本文的三層設計提供的另一個好處是在直接和交流電壓偏置下顯著增強了介電強度，從而允許使用更薄的介電層來進一步增加柵極電容。SEBS和OTS層沉積后，觀察到擊穿電壓穩(wěn)定增加，表明針孔減少（圖2E）。

與之前報道的其他彈性電介質(zhì)相比，本文的三層設計能夠同時實現(xiàn)低工作電壓和高載流子遷移率（圖2F）。此外，本文實現(xiàn)了可拉伸晶體管的亞閾值擺幅（~85 mV），與剛性多晶硅（poly-Si）晶體管相當（圖2G）。

圖2.?用于高性能和低壓可拉伸有機晶體管和電路的高k、三層介質(zhì)

用于神經(jīng)脈沖序列生成的信號調(diào)理電路系統(tǒng)

通過結(jié)合單個晶體管的最佳特性，進一步集成晶體管，以制造用于直接皮膚操作的低壓功能電路，模仿生物皮膚受體的感覺功能。在自然感知過程中，體感受體將刺激輸入幅度（接收階段）轉(zhuǎn)換為具有恒定幅度（編碼階段）的頻率調(diào)制脈沖序列，以實現(xiàn)高效和高保真信號傳輸（圖3A）。

為了概括這一過程，本文開發(fā)了一種電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有收集外部刺激的傳感器、用于傳感器信號頻率調(diào)制的環(huán)形振蕩器（RO）和用于生成類似脈沖序列信號的動作電位的邊緣檢測器（ED）（圖3B~D）。

圖3.?產(chǎn)生仿生脈沖序列的低壓驅(qū)動軟電路系統(tǒng)

全固態(tài)人工突觸觸發(fā)下游驅(qū)動

自然感覺反饋回路的一個特征是感知和。為了完成感覺運動回路，除了用于感覺的柔軟電子皮膚系統(tǒng)外，還解決了將頻率編碼的傳感器信息傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)并根據(jù)輸入刺激驅(qū)動下游肌肉反應的需求。為此，基于離子門控的突觸晶體管特別有前途，它們具有類似于生物突觸的工作機制（圖4B和D）。

本文通過混合先前設計的具有高離子電導率的離子導電彈性體（ICE）和單離子導電聚電解質(zhì)（PiTFSI），如以前的報告所述，聚電解質(zhì)可以穩(wěn)定地固定在彈性體基質(zhì)中。

此外，使用疊氮化物交聯(lián)劑，對這種離子電介質(zhì)進行了圖案化，并制造了具有良好均勻性的全固態(tài)可拉伸突觸晶體管陣列（圖4E）。

圖4. 用于驅(qū)動突觸晶體管下游分布（插入）陣列的全固態(tài)軟人工突觸

軟電子皮膚演示感覺運動回路

隨著電子皮膚系統(tǒng)中的所有基本組件再現(xiàn)生物感知-驅(qū)動回路，在大鼠模型中測試其有效性（圖5A~C）。簡而言之，作者首先將柔軟的電子皮膚連接到大鼠軀體感覺皮層以模擬皮膚感覺，這有望觸發(fā)運動皮層的反饋反應。然后誘發(fā)的運動信號通過人工突觸刺激坐骨神經(jīng)進行下游肌肉驅(qū)動，從而完成人工感覺運動環(huán)。

實驗中，當傳感器受到不同幅度的力時，觀察到軀體感覺皮層的數(shù)字化輸入可以成功地在運動皮層引起反應，經(jīng)過進一步放大和信號處理，將記錄的誘發(fā)信號作為突觸晶體管的柵極輸入，發(fā)現(xiàn)突觸后電流的幅度隨施加的壓力而縮放。

與自然感覺反饋過程類似，該過程會引發(fā)對更強力刺激的更強烈反應，這證明了人工電子皮膚用于神經(jīng)修復的潛在可行性。

圖5.?低壓驅(qū)動的軟電子皮膚系統(tǒng)的人工感知驅(qū)動回路

文獻信息

Weichen Wang?, Yuanwen Jiang?, Donglai Zhong?, Zhitao Zhang?, Snehashis Choudhury, Jian-Cheng Lai, Huaxin Gong, Simiao Niu, Xuzhou Yan, Yu Zheng, Chien-Chung Shih, Rui Ning,

Qing Lin, Deling Li, Yun-Hi Kim, Jingwan Kim, Yi-Xuan Wang, Chuanzhen Zhao, Chengyi Xu,

Xiaozhou Ji, Yuya Nishio, Hao Lyu, Jeffrey B.-H. Tok, Zhenan Bao*, Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086

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鮑哲南院士，今日Science！

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