作為電子皮膚的重要分支，基于多種感知機(jī)制的柔性觸覺(jué)傳感器已被開(kāi)發(fā)并成功模仿人體皮膚的觸覺(jué)性能/功能。痛覺(jué)，作為另一種重要的感覺(jué)，可以幫助人類(lèi)有效避免潛在危險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。近年來(lái)，研究人員通過(guò)采用突觸型器件（如晶體管、憶阻器）或液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料開(kāi)發(fā)了人工痛覺(jué)感受器，實(shí)現(xiàn)無(wú)害和有害的痛覺(jué)感知。然而，人體皮膚的感知系統(tǒng)并不局限于單一的觸覺(jué)或痛覺(jué)感知。相反，它表現(xiàn)出觸覺(jué)和痛覺(jué)感知功能的高效耦合。因此，在人工感知系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和痛覺(jué)集成感知引起了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。

目前，有兩種策略可以實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和痛覺(jué)集成感知。最經(jīng)典的方法是將力傳感器和突觸類(lèi)器件結(jié)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(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和痛覺(jué)狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)切換。另一種集成策略是構(gòu)建具有獨(dú)特電學(xué)響應(yīng)行為的一體式力傳感器，比如通過(guò)傳感組件之間的靈敏度差異或者靈敏度突變特性來(lái)響應(yīng)觸覺(jué)和痛覺(jué)。然而，上述兩種構(gòu)建策略都存在一些局限。以分散形式結(jié)合力傳感器和突觸器件會(huì)增加集成系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造難度。盡管一體式傳感結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化耦合過(guò)程并實(shí)現(xiàn)高效集成，但目前的人工感知系統(tǒng)主要關(guān)注觸覺(jué)和痛覺(jué)的集成策略和耦合過(guò)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(tǒng)中，機(jī)械閾值誘導(dǎo)的受體激活是產(chǎn)生觸覺(jué)和痛覺(jué)的主要原因。此外，人體皮膚追求超靈敏觸覺(jué)和痛覺(jué)功能的高效集成，并通過(guò)電信號(hào)突變行為來(lái)指示兩種感覺(jué)之間的動(dòng)態(tài)切換。因此，通過(guò)合理的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)具有靈敏觸覺(jué)和痛覺(jué)功能高效耦合的人工感覺(jué)系統(tǒng)具有重要的意義。

近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員、肖鵬研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感方面的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種由石墨烯導(dǎo)電薄膜組成的懸浮雙層傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械閾值介導(dǎo)的觸痛高效集成感知。

在該工作中，雙層感知結(jié)構(gòu)主要由懸浮彈性形變層和機(jī)械接觸感應(yīng)基底構(gòu)成。相比于單一懸浮構(gòu)型，雙層結(jié)構(gòu)利用懸浮彈性薄膜的三維形變和機(jī)械接觸行為分別觸發(fā)低閾值和高閾值傳感模式。在微觀層面上，石墨烯納米片層通過(guò)連續(xù)的橫向電分離和縱向電接觸來(lái)響應(yīng)觸覺(jué)向痛覺(jué)的轉(zhuǎn)變，并表現(xiàn)出電流反向突變行為（圖1b）。懸浮式結(jié)構(gòu)可以靈敏捕捉微弱形變，能分辨20 μm的微小動(dòng)態(tài)位移并檢測(cè)到低至0.02 Pa的極微弱觸覺(jué)信息。即使在5200次循環(huán)刺激下，還能保持穩(wěn)定可靠的觸痛響應(yīng)性能。此外，通過(guò)構(gòu)建小型化傳感陣列并結(jié)合光學(xué)反饋模塊，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)尖銳物體的可視化觸覺(jué)感知和痛覺(jué)預(yù)警。最后，集成到商用機(jī)器人手部的懸浮雙層傳感器可以作為高效、安全的人機(jī)界面，主動(dòng)保護(hù)人類(lèi)免受機(jī)器傷害，同時(shí)避免機(jī)械力對(duì)機(jī)器人皮膚帶來(lái)的損傷（圖1c）?？傊?，基于三維形變和機(jī)械接觸機(jī)制的懸浮式人工感知系統(tǒng)高效模仿了生物皮膚的觸痛感知行為，在仿生電子和友好人機(jī)交互等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

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(fā)表在Advanced Materials上（Adv. Mater.,2024,https://doi.org/10.1002/adma.202403447）。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC2805200）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52373094、52073295）、浙江實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究項(xiàng)目（No.2022MG0AB01）、中德合作國(guó)際交流項(xiàng)目（M-0424）、寧波國(guó)際合作項(xiàng)目（2023H019）等項(xiàng)目的資助。

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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(jī)交互應(yīng)用

（海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 周偉、肖鵬）