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  力學(xué)超材料由于具有優(yōu)越的力學(xué)性能已被廣泛應(yīng)用于航空航天、柔性電子等多個領(lǐng)域。柔性電子器件與待測組織的緊密貼合與動態(tài)隨形能力對測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，提升柔性電子器件的順應(yīng)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(chǎn)生。然而由于生物組織和人造材料的不同性質(zhì)及其界面的復(fù)雜性，實現(xiàn)身體隨形的電子器件仍面臨著突出挑戰(zhàn)。利用具有自感知和形狀記憶功能的材料制造智能力學(xué)超材料，有望協(xié)調(diào)柔性電子器件與不同生物組織之間的力學(xué)失調(diào)，并實現(xiàn)力學(xué)性能之外的主動功能，如傳感、能量收集、致動、自適應(yīng)、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(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了電子皮膚的多模態(tài)信號感知和形狀記憶驅(qū)動功能，該電子皮膚在物聯(lián)網(wǎng)、腦機接口等革命性領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

圖2. 超材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)解析模型。（Ⅰ）代表性（a）四韌帶和（b）六韌帶超材料結(jié)構(gòu)。（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(jié)果。（d）具有馬蹄韌帶的四韌帶超材料泊松比的理論結(jié)果。（Ⅲ）（a）四韌帶和（b）六韌帶超材料泊松比值隨幾何參數(shù)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(xué)性能通過形狀記憶效應(yīng)在不同生物組織之間轉(zhuǎn)換。

圖3. 電子皮膚多模態(tài)傳感功能示意圖。（a）電子皮膚的無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，（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(jìn)行實時監(jiān)測，（c）不同單詞的實時聲學(xué)監(jiān)測結(jié)果，（d）電子皮膚對近場目標(biāo)距離的實時輸出響應(yīng)，（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(xué)超材料結(jié)構(gòu)的電子皮膚，實現(xiàn)了其多模態(tài)融合感知和形狀記憶重構(gòu)功能。得益于形狀記憶超材料骨骼結(jié)構(gòu)及其力學(xué)解析模型，電子皮膚實現(xiàn)了仿生非線性力學(xué)行為和模仿目標(biāo)生物組織力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)重構(gòu)功能。基于鈣鈦礦的柔性傳感器實現(xiàn)了生理運動信息的高精度收集以及聽覺、觸覺和預(yù)接觸距離信號。此外，通過模仿生物多感官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的整合和交互功能，該系統(tǒng)實現(xiàn)了跨模態(tài)獲取、識別和整合信息的高級認(rèn)知功能。電子皮膚在運動監(jiān)測、語音識別和體感游戲中的應(yīng)用得到了證明。這種超材料電子皮膚在跨模態(tài)感知機器人系統(tǒng)和腦機接口等革命性領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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

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