1 工作简介

         ——仿人类皮肤机械感知功能的新型三维电子皮肤

复刻人类皮肤源于自然演化的高级感知功能，是电子皮肤、机器人等前沿科学技术领域长期追求的目标。然而目前，尚未有电子皮肤能够复现人体皮肤中机械感受器的细微观三维空间分布形式，进而像皮肤一样，在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种力学信号的同步解耦感知。

受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，本工作提出了一种具有三维架构的新型电子皮肤设计概念，其结构中的力与应变传感器的三维分布效仿了人类皮肤中梅克尔细胞和鲁菲尼小体的空间分布形式，使该器件能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变（图1）。

_{图1. 具有三维架构的电子皮肤：仿生设计概念及真实器件图片。}基于上述电子皮肤，结合深度学习算法，本工作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（图2），展示了该系统在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用，并深入探讨了其在物理量定量测量（如摩擦系数等）、人机交互等重要领域的应用潜力。

_{图2. 基于新型电子皮肤器件研制的触觉系统：时空映射与模量曲率定量测量。}

本工作受到《美国科学院院刊》（PNAS）Journal Club焦点报道。其中，韩国工程院院士、首尔国立大学教授Dae-Hyeong Kim高度评价本工作是“电子皮肤技术的一大进步（a significant advancement in electronic skin technology）”“为发展具备复杂触觉系统的人形机器人奠定了基础（paves the way for the development of humanoid robots equipped with sophisticated tactile systems）”。加州理工大学Ronald and JoAnne Willens冠名学者高伟教授也在其中指出，该工作提出的“创新路径（innovative approach）”使得电子皮肤具备了“先前无法拥有的传感能力（Previous electronic skins didn’t achieve this level of sensing performance）”。同时，加州大学洛杉矶分校陈俊教授也在《器件》（Device）中针对本工作发表专题评论，高度评价“该工作的出现为机械传感和可穿戴生物器件两个领域带来了创新（emerges as an innovation in both mechanical sensing and wearable bioelectronics）”，并于摘要中强调指出：“本工作促进了生物力学特性的精确测量，并使电子皮肤能够复刻人类皮肤复杂的机械感知功能，在假肢、机器人和人机交互界面等方面具有应用潜力。（It facilitates a precise measurement of biomechanical properties and allows the e-skin to replicate the complex mechanosensory functions of human skin, holding potential for applications in prosthetics, robotics, and human-machine interfaces）”。此外，本工作被选为《科学》杂志官网及当期目录页焦点图片，并受到了国家自然科学基金委、新华社、人民日报、光明日报、扬子晚报、科技日报等数十家权威媒体报道。相关研究成果以“仿人类皮肤机械感知功能的三维架构电子皮肤”（A Three-Dimensionally Architected Electronic SkinMimicking Human Mechanosensation）为题，在《科学》（Science）发表。张一慧为论文通讯作者，清华大学航天航空学院2018级博士生刘志、2021级博士生胡笑男和柔性电子技术实验室副研究员柏韧恒（航院已出站博士后）为论文共同第一作者。论文作者还包括航天航空学院2023级博士生羊佑舟、2020级博士生徐世威、2019级博士生沈张明、2017级博士生程旭（现为新加坡国立大学博士后），以及航天航空学院博士后庞文博、刘卿、王月皎、王书恒。研究得到科学探索奖、国家自然科学基金委原创探索计划项目与创新群体项目等的资助。

2 作者简介

通讯作者

张一慧，清华大学长聘教授。

长期从事固体力学、三维微纳结构组装、微型机器人等领域的研究。发表学术论文180余篇，获得授权的中国发明专利10项、美国发明专利3项。作为通讯作者或第一作者，相关成果发表于Science、Nature、Nature Materials、Nature Reviews Materials、Nature Electronics、Science Robotics、NSR、Science Advances、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、JMPS等高水平期刊，其中十余篇论文被Science、Nature等期刊选为封面文章。曾获国家杰出青年科学基金、科学探索奖、美国工程科学学会James R. Rice奖章、美国机械工程师协会Gustus L. Larson Memorial Award、麻省理工学院技术评论“全球35位35岁以下创新者”、国际工程科学协会青年学者奖章、美国机械工程师协会Thomas J.R. Hughes青年学者奖、香港求是杰出青年学者奖、美国机械工程师协会Sia Nemat-Nasser早期职业生涯奖、美国机械工程师协会Melville Medal、北京市自然科学奖一等奖（第二完成人）等荣誉。目前担任学术期刊《Science Advances》的Deputy Editor，《Mechanics of Materials》的Editor，《International Journal of Smart and Nano Materials》的Associate Editor等职务。

3 原文传递

详情请点击论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5556

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