寧波材料所陳濤/肖鵬團隊 Adv. Mater.：懸浮式雙層結構實現人機交互中觸覺和痛覺的靈敏感知
仿生電子皮膚因其高靈敏度、機械適應性和環境交互性等優勢，在可穿戴電子、軟體機器人和人機界面等領域備受關注。作為電子皮膚的重要分支，基于多種感知機制的柔性觸覺傳感器已被成功開發并模仿人體皮膚的觸覺性能/功能。痛覺，作為另一種重要的感覺，它可以幫助人類有效避免潛在危險并實現自我保護。近年來，研究人員通過采用突觸型器件（如晶體管、憶阻器）或液態金屬復合材料開發了人工痛覺感受器，實現無害和有害的痛覺感知。然而，人體皮膚的感知系統并不局限于單一的觸覺或痛覺感知。相反，它表現出觸覺和痛覺感知功能的高效耦合。因此，在人工感知系統中實現觸覺和痛覺集成感知引起了越來越多研究人員的關注。
目前，有兩種策略可以實現觸覺和痛覺集成感知。最經典的方法是將力傳感器和突觸類器件結合，利用力傳感器的輸出控制晶體管或憶阻器的激活，從而實現觸覺和痛覺狀態之間的動態切換。另一種集成策略是構建具有獨特電學響應行為的一體式力傳感器，比如通過傳感組件之間的靈敏度差異或者靈敏度突變特性來響應觸覺和痛覺。然而，上述兩種構建策略都存在一些局限。以分散形式結合力傳感器和突觸器件會增加集成系統的復雜性和制造難度。盡管一體式傳感結構可以簡化耦合過程并實現高效集成，但目前的人工感知系統主要關注觸覺和痛覺的集成策略和耦合過程，而忽視了人體皮膚特有的感知性能和功能。如圖1a所示，在人體皮膚感知系統中，機械閾值誘導的受體激活是產生觸覺和痛覺的主要原因。此外，人體皮膚追求超靈敏觸覺和痛覺功能的高效集成，并通過電信號突變行為來指示兩種感覺之間的動態切換。因此，通過合理的材料和結構設計，實現具有靈敏觸覺和痛覺高效耦合的人工感覺系統具有重要的意義。
近期，中國科學院寧波材料所智能高分子材料團隊陳濤研究員、肖鵬研究員基于在碳基/高分子復合彈性薄膜的構筑及其柔性傳感方面的研究基礎，設計了一種由石墨烯導電薄膜組成的懸浮雙層傳感結構，實現了機械閾值介導的觸痛高效集成感知。相比于單一懸浮構型，雙層結構利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機械接觸行為分別觸發低閾值和高閾值傳感模式，并以電流反向突變指示觸覺向痛覺的轉變（圖1b）。這種懸浮雙層電子皮膚可集成到機器手表面并用作安全的交流界面，實現友好人機交互過程（圖1c）。該工作近期以題為“A Suspended, Three-dimensional Morphing Sensory System for Robots to Feel and Protect”的論文發表在Advanced Materials上（Adv. Mater. 2024）。
圖1. 具有觸痛集成感知的懸浮雙層電子皮膚及其友好人機交互應用
為了構筑懸浮雙層感知結構，需要分別制備懸浮彈性形變層和機械接觸感應基底（圖2）。首先，通過水/氣界面組裝策略制備了基本傳感單元 - 石墨烯薄膜。隨后，通過Ecoflex溶液原位不對稱功能化，形成具有嵌入式界面結構的彈性石墨烯/Ecoflex Janus薄膜（GEJF），并將其共形粘附在中空柔性框架表面以形成懸浮彈性形變層。基于水/氣界面組裝體優異的可轉移性，石墨烯薄膜還能通過界面轉移法直接貼附在柔性襯底表面。為了增強石墨烯片層在柔性襯底表面的附著能力，通過復刻砂紙表面粗糙結構，最終形成具有微結構表面的PDMS/石墨烯薄膜（mPGr）并用作機械接觸感應基底。接著，將懸浮彈性形變層和機械接觸感應基底面對面堆疊并通過柔性間隔層分離從而構筑懸浮雙層感知器件（圖2f）。在壓力作用下，上層懸浮彈性薄膜發生三維形變來響應低閾值介導的觸覺行為。當上下兩層發生機械接觸后，電流會瞬間反向增大，進入高閾值介導的痛覺階段，從而實現觸覺和痛覺的集成感知（圖2g和2h）。
圖2. 懸浮雙層器件的構筑及其觸痛集成感知行為
首先對懸浮雙層感知器件機電響應行為進行了詳細研究（圖3a）。在雙層接觸前后，施加的壓力表現出了非線性變化特征。相應地，電流呈現出了先減后增的突變行為，來指示觸覺向痛覺的轉變。痛覺閾值（Pth）對應于上下兩層接觸瞬間的壓力值，通過改變懸浮薄膜厚度和間隔高度可以進行靈活調節（圖3b）。值得注意的是，在觸覺和痛覺階段，雙層結構內部存在著串聯電路向并聯電路的切換（圖3c）。其中，懸浮薄膜的三維形變主導觸覺響應，并通過橫向拉伸誘導石墨烯片層分離實現電流降低。當雙層發生機械接觸后，建立的電接觸界面促進電子縱向流動，從而實現電流反向增大（圖3d）。然而，這種信號突變指示的觸痛轉變行為受到了懸浮薄膜直徑和間隔高度的影響。隨著懸浮薄膜直徑減小或間隔高度增大，雙層接觸瞬間懸浮彈性薄膜自身電阻過大，導致電子難以流經電接觸界面，電流將不再反向增大，痛覺感知行為逐漸消失（圖3e-g）。因此，觸覺與痛覺階段存在明顯的競爭關系，其中懸浮彈性膜三維形變引起的電阻變化對機械接觸后的痛覺響應行為有顯著影響。
圖3. 非線性機械刺激誘導的觸痛雙模感知和競爭性響應行為
接下來，對懸浮雙層器件的觸覺和痛覺響應性能進行了詳細研究。在觸覺階段，依賴于懸浮薄膜的三維形變行為，通過降低石墨烯濃度和彈性薄膜厚度可以明顯提高觸覺感知性能（圖4a和4b）。隨著壓力增加，懸浮薄膜的電阻逐漸增大，并表現出穩定且可重復的響應曲線（圖4c）。得益于懸浮結構易形變的特征，懸浮雙層器件在觸覺階段具有0.12 s的快速響應性能（圖4d）。同時，還能精準追蹤步長為20 μm的動態加載過程（圖4e），甚至檢測超輕蚊子（0.02 Pa）的微弱靜態刺激（圖4f）。進入痛覺階段后，隨著接觸壓力增大，GEJF和mPGr之間的電接觸位點急劇增加并逐漸飽和，因此總電阻在接觸瞬間急劇降低之后平緩變化（圖4g和4h）。由于GEJF中形成的半嵌入結構和mPGr中微結構的存在，保證了石墨烯納米片層在界面接觸時的穩定性，懸浮雙層器件的疼痛響應曲線隨接觸壓力增加表現出了良好的循環性能（圖4i），并在5200次連續的接觸-分離過程中展示出穩定可靠的響應性能（圖4j）。不僅如此，懸浮雙層器件還能通過電流的階級變化來響應多級加壓過程，實現對正常觸覺和痛覺增強感知行為（圖4k）。
圖4. 懸浮雙層器件的觸覺和痛覺性能
進一步，通過結合光學反饋模塊，懸浮雙層器件還能集成到假手表面，去模仿人體皮膚在接觸尖銳和平滑表面時的觸痛反應，并實現可視化感知（圖5a和5b）。具體來說，當接觸尖銳物體表面時，懸浮彈性薄膜的形變程度更大，因此更容易發生機械接觸并產生信號突變，從而進入痛覺階段，并點亮紅色LED燈發出疼痛預警（圖5c-e）。不僅如此，通過將間隔高度降低至200 μm，還能構建尺寸為1×1 cm2的小型化傳感器，并將其粘附到假手手指表面，以實現對正常觸覺和尖刺的痛覺檢測（圖5f）。當用假手觸摸榴蓮殼表面時，通過電阻變化的映射圖譜可以反映不同手指的觸痛分布（圖5g）。此外，在小型傳感器陣列中引入光學響應系統，還能通過紅色LED燈點亮警示尖刺產生的疼痛，避免對柔性傳感材料的持續損傷（圖5h）。
圖5. 懸浮雙層器件用于物體表面尖銳度的可視化觸覺感知和痛覺預警
最后，將懸浮雙層傳感器件和機器手進行集成，探索其在友好人機交互中的應用（圖6a和5b）。首先，懸浮雙層器件賦予機器手主動的觸痛感知功能，使其能夠通過信號的變化差異分辨輕柔觸摸并對猛烈敲擊做出規避危險動作（圖6c-e）。此外，集成懸浮雙層電子皮膚的機器手還能以主動和被動的方式感知握手交互過程中過度用力造成的疼痛感，并通過主動松手這一動作及時保護交互對象和自身，實現友好且安全的人機交互過程（圖6f-i）。
圖6. 懸浮雙層器件用于友好人機交互
總的來說，這項工作通過構建懸浮雙層感知結構，利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機械接觸機制，高效地模仿了生物皮膚觸痛感知行為，為構建具有靈敏觸覺和痛覺功能耦合的人工感知系統提供了新的思路，在仿生電子和智能人機交互等領域表現出巨大的應用潛力。
本研究得到了國家重點研發計劃（2022YFC2805200）、國家自然科學基金（52373094, 52073295）、浙江實驗室開放研究項目（No.2022MG0AB01）、中德合作國際交流項目（M-0424）、寧波國際合作項目（2023H019）等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202403447
