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  力學超材料由于具有優越的力學性能已被廣泛應用于航空航天、柔性電子等多個領域。柔性電子器件與待測組織的緊密貼合與動態隨形能力對測量數據的準確性至關重要，提升柔性電子器件的順應性能顯著降低器件的接觸阻抗、提升信噪比、防止運動偽影的產生。然而由于生物組織和人造材料的不同性質及其界面的復雜性，實現身體隨形的電子器件仍面臨著突出挑戰。利用具有自感知和形狀記憶功能的材料制造智能力學超材料，有望協調柔性電子器件與不同生物組織之間的力學失調，并實現力學性能之外的主動功能，如傳感、能量收集、致動、自適應、計算和信息處理。本文通過將形狀記憶超材料和壓電材料整合到電子皮膚結構中，實現了電子皮膚的多模態信號感知和形狀記憶驅動功能，該電子皮膚在物聯網、腦機接口等革命性領域具有廣闊的應用前景。

  哈爾濱工業大學冷勁松院士團隊近日在Advanced Functional Materials上發表題為《Metamaterial-based Electronic Skin with Conformality and Multisensory Integration》的文章。

圖2. 超材料結構的力學解析模型。（Ⅰ）代表性（a）四韌帶和（b）六韌帶超材料結構。（Ⅱ）具有馬蹄形韌帶的（c）六韌帶超材料等效彈性模量的理論結果。（d）具有馬蹄韌帶的四韌帶超材料泊松比的理論結果。（Ⅲ）（a）四韌帶和（b）六韌帶超材料泊松比值隨幾何參數變化示意圖。（c）超材料和組織/器官之間的σ-λ曲線比較。（d）超材料骨骼力學性能通過形狀記憶效應在不同生物組織之間轉換。

圖3. 電子皮膚多模態傳感功能示意圖。（a）電子皮膚的無線數據收集系統，（b）使用不同超材料電子皮膚對手指、手腕和肘部彎曲角度進行實時監測，（c）不同單詞的實時聲學監測結果，（d）電子皮膚對近場目標距離的實時輸出響應，（e）使用電子皮膚的近場距離識別功能操控體感游戲角色，（f）使用電子皮膚的非接觸式距離感知功能控制游戲角色飛行高度的示意圖。

  綜上所述，本文提出了一種基于力學超材料結構的電子皮膚，實現了其多模態融合感知和形狀記憶重構功能。得益于形狀記憶超材料骨骼結構及其力學解析模型，電子皮膚實現了仿生非線性力學行為和模仿目標生物組織力學性能的結構重構功能。基于鈣鈦礦的柔性傳感器實現了生理運動信息的高精度收集以及聽覺、觸覺和預接觸距離信號。此外，通過模仿生物多感官神經網絡中的整合和交互功能，該系統實現了跨模態獲取、識別和整合信息的高級認知功能。電子皮膚在運動監測、語音識別和體感游戲中的應用得到了證明。這種超材料電子皮膚在跨模態感知機器人系統和腦機接口等革命性領域具有廣闊的應用前景。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406789

  下載：《Metamaterial-based Electronic Skin with Conformality and Multisensory Integration》