电子皮肤能够模仿人体皮肤的物理特性和感知能力，在自动化生产、元宇宙、医疗诊断、机器人领域具有重要应用价值。柔性触觉传感器为电子皮肤带来了物体的识别、刺激的感知解耦、界面的时空映射等功能。然而，现有的柔性触觉传感器的制备工艺与微电子、印刷电子等技术的兼容性不佳，难以对电子皮肤的性能、功能实现快速可控的调整。为此，北京大学韩梦迪课题组报道了一种基于三维柔性模块化的电子皮肤，由可定制的、微加工工艺兼容的微型三维应变片构成触觉传感模块，实现对皮肤界面压力的无线测量、生物力学信号的连续监测等功能。相关成果以“Three-dimensional micro strain gauges as flexible, modular tactile sensors for versatile integration with micro- and macroelectronics”为题发表在《Science Advances》上，北京大学博士研究生徐晨为第一作者，王毅然为共同第一作者。

图1. 基于微型三维应变片的柔性触觉传感模块

电子皮肤的触觉传感模块由微型三维应变片和柔性聚合物封装构成。如图1A所示，通过在微型应变片表明沉积一层具有内应力的材料，可以使应变片向上卷曲形成三维结构，即微型三维应变片。与传统的平面应变片相比，这种三微应变片能够有效感知法向力。微型三维应变片的制备方法与光刻等微电子工艺完全兼容，可在商用集成电路上制备，可并行化、批量化加工。

图2. 柔性触觉传感模块的力学传感性能

将四个正交的微型三微应变片封装在柔性聚合物中，配合温度传感单元，构成能检测、解耦温度、法向力、剪切力的柔性触觉传感模块。如图2B所示，四个应变片对法向力响应相同，而对剪切力表现出不同的变化。同时，温度传感单元仅对温度响应，并对应变片进行温度校准。柔性传感模块具有对力大小、方向的高解耦精度，高线性度，快速响应时间以及良好稳定性。

图3. 可定制的电子皮肤

柔性触觉传感模块可从基底上快速、稳定地转移到各种形状的柔性电路板上，配合防串扰电路，构成可定制的感知触觉信号的电子皮肤。如图3F所示，在指尖构建高空间密度的压力传感模块，手掌构建大面积的触觉传感模块，实现了模仿人手功能的可定制的柔性电子皮肤。与微电子工艺兼容的制备方法允许实现传感单元达360 cm^-2的电子皮肤，超过人手指间触觉感受器的空间密度。

图4. 集成触觉传感模块和商用芯片的多功能电子皮肤

柔性触觉传感模块能同其他电子元件一起，实现对力学信息的无线传感，并扩展电子皮肤的感知能力。柔性触觉传感器能够同商用传感器一起，完成复杂的信息感知任务，给予电子皮肤同时检测温度、三维力、物体接近等能力，满足更多复杂的、定制化的感知需求。

图5. 电子皮肤对皮肤表面触觉信息的空间映射

柔性触觉传感模块能够同大面积的柔性电路板进行集成，构建大面积的柔性电子皮肤。电子皮肤可以保形贴附于人体各处皮肤表面，实时测量皮肤界面受到的法向力与剪切力的空间分布情况，不受位置、弯曲的影响。

本文介绍了一种创新性的电子皮肤，使用模块化的柔性触觉传感模块，实现灵活的、可定制的对温度、法向力、剪切力等触觉信息的检测。与现有技术相比，三维柔性触觉传感模块具有和微电子、印刷电子等技术的良好兼容性，并展现出高空间分辨率或大面积覆盖的对温度、法向力、剪切力的高性能感知，提升了电子皮肤的传感性能和集成方案。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp6094，也可点击文末阅读原文。

韩梦迪

北京大学

韩梦迪课题组致力于研发微机械生物电子器件，融汇微纳制造、电路与电子学、智能传感器、生物医学工程等领域的先进技术，通过引入三维结构和磁性材料，助力电子皮肤、无线生物传感、微型机器人等领域的发展。相关工作发表于Nature Electronics、Nature Biomedical Engineering、Science Translational Medicine、Science Robotics、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、ACS Nano等期刊,获Microsystems & Nanoengineering 青年科学家（2020）、《麻省理工科技评论》亚太地区35岁以下科技创新35人（2021）、世界顶尖2%科学家（2023）、iCANX青年科学家（2024）、亚洲青年科学家（2024）等奖励及荣誉。

更多关于韩梦迪课题组研究成果，可以查看：

X-Press | Science Advances论文：小型化的无线植入式传感系统

北大韩梦迪团队最新成果 | AM：基于磁性导电复合材料的多模态、可重构柔性电子器件

北大张海霞和韩梦迪合作AM论文┃可编程控制的三维全向磁控软结构

联系我们