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李陽/沈國震AM: 機(jī)器學(xué)習(xí)助力仿生電子皮膚新突破，實(shí)現(xiàn)通用觸覺認(rèn)知！

目前電子皮膚的大部分研究都是通過模仿皮膚的局部結(jié)構(gòu)來完成其構(gòu)建，從而實(shí)現(xiàn)僅對(duì)單一刺激的觸覺感知。然而，利用由表皮-真皮-皮下組織組成的全皮膚仿生（FSB）結(jié)構(gòu)結(jié)合毳毛狀結(jié)構(gòu)（VHS）的電子皮膚的開發(fā)和突破幾乎沒有探索。

在此，濟(jì)南大學(xué)李陽副教授、北京理工大學(xué)沈國震研究員等人提出了一種基于人體FSB結(jié)構(gòu)的電子皮膚，并探討了電子皮膚領(lǐng)域的技術(shù)突破和發(fā)展前景。研究表明，所提出的電子皮膚不僅具有觸覺感知功能，而且由于配備了“大腦”，因此實(shí)現(xiàn)了通用智能觸覺認(rèn)知的特性。更重要的是，腦控電子皮膚充分利用提出的FSB結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出先進(jìn)的智能觸覺認(rèn)知功能，一次接觸即可準(zhǔn)確識(shí)別材料種類和位置，超越了人類的能力。

FSB電子皮膚具有3層結(jié)構(gòu)配置：采用雙面異質(zhì)頂層模擬人毳毛和表皮；基于雙面層狀微錐結(jié)構(gòu)（LMS）離子凝膠的中間層用于模擬皮膚真皮；底層單面LMS用于模擬皮下組織。因此，所提出的FSB電子皮膚具有對(duì)低于1 kPa的壓力具有8053.1 kPa^-1的超高靈敏度，在1~34 kPa的壓力范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于3103.5 kPa^-1靈敏度的線性響應(yīng)及快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（<5.6毫秒）。

圖1. 非接觸式感知和手勢(shì)認(rèn)知的演示

為證明所提出的FSB電子皮膚具有從觸覺感知到高級(jí)智能觸覺認(rèn)知的能力，作者探索了3個(gè)具體應(yīng)用，包括：

i）基于FSB 電子皮膚類毳毛層的摩擦電效應(yīng)，將柔性感知陣列應(yīng)用于模擬毳毛功能的非接觸式靜態(tài)/動(dòng)態(tài)信息觸覺感知；

ii）利用FSB電子皮膚的超級(jí)電容離子電子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了由五層多層感知器（MLP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的手勢(shì)形態(tài)認(rèn)知手套安裝系統(tǒng)以促進(jìn)通用智能觸覺認(rèn)知；

iii）通過將FSB電子皮膚與六層MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和包括信號(hào)采集、傳輸、處理和顯示功能的各種單元相結(jié)合，作者構(gòu)建了一個(gè)先進(jìn)的智能材料認(rèn)知系統(tǒng)，只需一次接觸即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的準(zhǔn)確認(rèn)知、定位、實(shí)時(shí)顯示，平均準(zhǔn)確率達(dá)到98.34%。

總之，這項(xiàng)研究提出的器件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建和微納處理方法必將為柔性電子研究領(lǐng)域，特別是柔性智能機(jī)器人、智能假肢和元宇宙領(lǐng)域帶來新的啟發(fā)。

圖2. 先進(jìn)的智能材料認(rèn)知系統(tǒng)演示

Perception-to-Cognition Tactile Sensing Based on Artificial-Intelligence-Motivated Human Full-Skin Bionic Electronic Skin, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202202622

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