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  當(dāng)前人工智能快速發(fā)展，各種類(lèi)人功能智能機(jī)器人層出不窮，觸覺(jué)感知是人類(lèi)和未來(lái)智能機(jī)器探索物理世界的基礎(chǔ)性功能之一，發(fā)展具有觸覺(jué)功能的仿生電子皮膚柔性感知器件，并實(shí)現(xiàn)器件與柔軟組織間的機(jī)械匹配性具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

  受指紋能夠感知物體表面紋理的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上（Nano Research 2017, 10(8): 2683-2691），采用內(nèi)外兼具金字塔敏感微結(jié)構(gòu)的柔性薄膜襯底及單壁碳納米管導(dǎo)電薄膜，設(shè)計(jì)與制備了具有寬檢測(cè)范圍（45-2500 Pa）、高靈敏度（3.26 kPa-1）的疊層結(jié)構(gòu)柔性振動(dòng)傳感器件-（圖1b）。并建立了其摩擦物體表面時(shí)振動(dòng)頻率與物體表面紋理粗糙度的模型：f = v/λ（圖1；v：柔性傳感器相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)；f：振動(dòng)頻率；λ：起伏間距即波長(zhǎng)）。該柔性仿生指紋傳感器可應(yīng)用于物體表面精細(xì)紋理/粗糙度的精確辨別，最低可檢測(cè)15 μm×15 μm的紋路，超過(guò)手指指紋的辨識(shí)能力（~50 μm×50 μm）。也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切應(yīng)力、及盲文字母等高靈敏檢測(cè)與識(shí)別，這些特性將在機(jī)器人電子皮膚的觸覺(jué)感知、智能機(jī)械手等方面有重要潛在應(yīng)用。相關(guān)結(jié)果已發(fā)表在Small (2018, 1703902, 1-9; DOI: 10.1002/smll.201703902)，并被Advanced Science News以“A New Bionic Skin; Makes Sense”為標(biāo)題報(bào)道（圖2），論文第一作者是碩士研究生曹玉東和李鐵博士。  

圖1. （a）手指粗糙度觸覺(jué)感知仿生模型；（b）疊層結(jié)構(gòu)柔性指紋傳感器模型；（c）柔性傳感器實(shí)現(xiàn)仿手指指紋織物紋理響應(yīng)及其（d）最小粗糙度感知與（e）對(duì)盲文字母感知。

圖2 Advanced Science News對(duì)仿生指紋柔性傳感器報(bào)道

  作為柔性可穿戴電子，器件與柔軟組織間的機(jī)械不匹配是該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，近期張珽研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有褶皺核鞘結(jié)構(gòu)的纖維狀超延展柔性應(yīng)變傳感器，該傳感器在全工作范圍內(nèi)有高靈敏度，既可以對(duì)微弱應(yīng)變又可以對(duì)大應(yīng)變有良好的響應(yīng)。依據(jù)模型,

， , ，（H:褶皺振幅，h：鞘層厚度，epre：纖維核預(yù)應(yīng)變，ec：纖維核材料產(chǎn)生褶皺的臨界應(yīng)變，l：褶皺波長(zhǎng)，hs：鞘層單層薄膜的厚度，n：鞘層薄膜層數(shù)），通過(guò)預(yù)拉伸-包裹-釋放策略可控的引入褶皺結(jié)構(gòu)，這些褶皺相互接觸構(gòu)成了額外的接觸電流通路（圖3）。該導(dǎo)電通路會(huì)在器件被拉伸的過(guò)程中因褶皺分開(kāi)而發(fā)生明顯的變化，加之鞘層為對(duì)應(yīng)變敏感的MWCNT/TPE復(fù)合薄膜，因此該應(yīng)變傳感器在極大的應(yīng)變范圍內(nèi)（> 1135%）均具有高靈敏度（GF: 21.3, 0%-150%; 34.22, 200%-1135%）。這些優(yōu)異的性能賦予了超延展應(yīng)變傳感器對(duì)微小肌肉運(yùn)動(dòng)以及大范圍的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，同時(shí)也可應(yīng)用于植入醫(yī)療，如用于數(shù)字化評(píng)定肌腱康復(fù)（圖4）。該研究成果近期發(fā)表于Advanced Science （DOI: 10.1002/advs.201800558），文章第一作者是博士研究生李連輝。 

圖3. （a）纖維狀超延展應(yīng)變傳感器的制備流程示意圖；（b）器件拉伸光學(xué)照片；（c）不同預(yù)拉伸條件下得到器件的應(yīng)變電阻變化曲線；（d）不同預(yù)拉伸條件下得到器件的表面形貌；（e）應(yīng)變傳感器拉伸過(guò)程中的表面形貌。

圖4. （a）由纖維超延展應(yīng)變傳感器制作的手環(huán)對(duì)手臂做不同動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電阻變化曲線；（b）纖維超延展應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)喉嚨肌肉的變化曲線；（c）纖維應(yīng)變傳感器綁定于大鼠肌腱上的光學(xué)照片；（d）大鼠腿部不同動(dòng)作的示意圖；（e）器件對(duì)大鼠腿部動(dòng)作的響應(yīng)。 

  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61574163），江蘇省杰出青年基金（BK20170008）和中國(guó)博后基金（2017M611945）的支持。