具備觸覺感知能力的電子皮膚是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)環(huán)境交互和靈巧操作的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)二維平面?zhèn)鞲衅麟y以適應(yīng)復(fù)雜三維曲面，在動(dòng)態(tài)滑動(dòng)接觸中面臨信號延遲、制造工藝復(fù)雜及可擴(kuò)展性差等挑戰(zhàn)。現(xiàn)有方法多依賴平面預(yù)組裝后轉(zhuǎn)移至目標(biāo)曲面，導(dǎo)致制程繁瑣且難以規(guī)模化，限制了高性能觸覺系統(tǒng)在機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

受生物系統(tǒng)啟發(fā)，電子科技大學(xué)林媛教授、黃振龍副教授合作，提出了一種創(chuàng)新的三維制造策略，將3D打印、材料創(chuàng)新與激光直寫技術(shù)相結(jié)合，直接在三維基底上構(gòu)建可拉伸觸覺傳感器陣列，并實(shí)現(xiàn)了多層電路的立體互聯(lián)。所開發(fā)的仿生傳感器陣列具有高響應(yīng)性，振幅響應(yīng)時(shí)間小于0.5毫秒，最高工作頻率達(dá)473.33赫茲，頻率分辨率為0.35赫茲，角度分辨率達(dá)到1度。研究團(tuán)隊(duì)成功在亞米尺度薄膜上集成了900個(gè)傳感器，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜圖案識別的100%準(zhǔn)確率。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從二維到可擴(kuò)展三維制造的跨越，為下一代機(jī)器人仿生皮膚與智能感知系統(tǒng)提供了通用平臺。相關(guān)論文以“Three-Dimensional Stretchable Tactile Sensors for Robotic Bionic Skin”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

研究團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)模仿了鱷魚皮膚中富含神經(jīng)末梢的三維折疊表皮結(jié)構(gòu)，使傳感器性能超越了人類指尖的觸覺能力。具體而言，他們利用3D打印制備了由銻摻雜氧化錫（ATO）、多壁碳納米管（MWCNT）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）組成的金字塔形三維微結(jié)構(gòu)。隨后，通過激光直寫工藝對三維表面進(jìn)行活化和粗糙化處理，暴露出ATO催化劑，進(jìn)而通過化學(xué)鍍銅實(shí)現(xiàn)金屬層的原位選擇性生長。該金屬層與基底內(nèi)的MWCNT網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成了雙層傳感結(jié)構(gòu)，能夠在復(fù)雜三維表面精準(zhǔn)感知形變。如圖1所示，這種三維觸覺傳感器具備類似鱷魚皮斑點(diǎn)狀的仿生凸起結(jié)構(gòu)。圖1b展示了傳感器的多層架構(gòu)，上下層通過通孔實(shí)現(xiàn)電氣互連。圖1c顯示了激光刻蝕與非刻蝕區(qū)域的對比，以及能譜分析證實(shí)ATO催化劑的存在。圖1d和1e為傳感器的顯微圖像和激光共聚焦顯微圖。圖1f的高分辨率X射線圖像展示了上下互連線與通孔構(gòu)成的一體化三維傳感架構(gòu)。圖1g示意了鱷魚皮的三維表皮結(jié)構(gòu)。圖1h揭示了滑動(dòng)過程中應(yīng)力誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，傳感器電阻在0.5毫秒內(nèi)以33.6歐姆/秒的速率顯著增加。圖1i和1j展示了傳感器在圓柱面彎曲和大面積拉伸變形下的優(yōu)異機(jī)械柔韌性，以及包含900個(gè)單元的30×30陣列。圖1k則展示了傳感器成功集成于機(jī)器人手部。

圖1 | 本征三維曲面電子皮膚的設(shè)計(jì)與制造。 (a) 面向機(jī)器人應(yīng)用的大面積仿生皮膚示意圖。 (b) 具有多層架構(gòu)的三維觸覺傳感器示意圖，顯示通過通孔實(shí)現(xiàn)的層間電氣互連。 (c) 在三維曲面上金屬傳感層原位生長示意圖：(i) 在激光織構(gòu)化區(qū)域形成銅層；(ii) 激光刻蝕區(qū)域（右）與非刻蝕區(qū)域（左）的SEM對比；(ii) 刻蝕區(qū)域的EDS能譜圖，顯示強(qiáng)烈的Sn信號，證實(shí)ATO催化劑的存在。 (d) 三維觸覺傳感器的顯微圖。 (e) 三維觸覺傳感器的激光掃描共聚焦顯微鏡圖像。 (f) 復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的高分辨率X射線圖像，包含上下互連線。敏感區(qū)通過通孔與兩個(gè)互連層連接，形成集成的多層三維傳感架構(gòu)。 (g) 鱷魚表皮斑點(diǎn)的示意圖，這些斑點(diǎn)分布在三維表皮結(jié)構(gòu)上，能夠檢測微小的外部刺激。 (h) 傳感器對滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的示意圖。應(yīng)力誘導(dǎo)的形變表現(xiàn)為敏感區(qū)裂紋的形成，通過SEM觀察。這些形變導(dǎo)致傳感器電阻顯著增加，在0.5毫秒內(nèi)速率達(dá)33.6歐姆/秒，這歸因于滑動(dòng)過程中三維表面受到的直接應(yīng)變。 (i) 在圓柱面上彎曲的三維觸覺傳感器圖像。 (j) 大面積傳感器陣列（30×30，900個(gè)傳感單元）圖像，以及拉伸變形下的陣列。 (k) 集成到機(jī)器人手中的三維觸覺傳感器圖像。

這種直接在三維表面原位制造的策略消除了堆疊結(jié)構(gòu)帶來的應(yīng)變傳遞誤差和制造復(fù)雜性，大幅提升了靈敏度。如圖2所示，傳感器在滑動(dòng)接觸中，三維結(jié)構(gòu)形變誘導(dǎo)敏感區(qū)微裂紋產(chǎn)生，改變電子傳輸路徑，導(dǎo)致電阻隨應(yīng)變增加。圖2b和2c展示了高度為1毫米的傳感器細(xì)節(jié)及SEM與EDS圖像。圖2d的有限元模擬顯示了滑動(dòng)接觸中的應(yīng)變分布。圖2e表明傳感器具有0.694毫歐/毫米的最大靈敏度且遲滯可忽略，并在4000次循環(huán)中保持穩(wěn)定。圖2f證明傳感器在180千帕垂直壓力下基線電阻穩(wěn)定，模擬顯示應(yīng)變集中于尖端而不影響傳感區(qū)。圖2g顯示通過調(diào)節(jié)MWCNT濃度可調(diào)控靈敏度。圖2h比較了敏感區(qū)位于金字塔腰部與底部的性能差異，腰部設(shè)計(jì)靈敏度更高。圖2i顯示更高高寬比的結(jié)構(gòu)響應(yīng)性更好。圖2j和2k表明傳感器能分辨粗紋理和細(xì)紋理，細(xì)紋理信號頻率高達(dá)473.33赫茲，且信號頻率與滑動(dòng)速度呈強(qiáng)線性關(guān)系。憑借0.35赫茲的頻率分辨率，傳感器可精確區(qū)分微小速度變化。

圖2 | 三維觸覺傳感器的性能。 (a) 三維觸覺傳感器示意圖，使用Ecoflex保護(hù)三維表面上的敏感區(qū)。 (b) 高度為1毫米的三維觸覺傳感器細(xì)節(jié)圖像。 (c) 三維觸覺傳感器的俯視SEM圖像（左）及對應(yīng)的EDS圖像（右）。 (d) 滑動(dòng)接觸外部結(jié)構(gòu)時(shí)三維觸覺傳感器內(nèi)應(yīng)變的有限元模擬分布。 (e) 重復(fù)機(jī)械加載下傳感器的循環(huán)性能，顯示0.694毫歐/毫米的最大靈敏度和可忽略的遲滯。 (f) 垂直正壓力（0-180千帕）下傳感器的響應(yīng)，顯示電阻變化極小。有限元模擬表明，正壓力引起的應(yīng)變主要局限于尖端，不影響整體傳感區(qū)域。 (g) 不同MWCNT濃度制造的傳感器在紋理表面滑動(dòng)時(shí)的電阻變化。信號變化幅度與導(dǎo)電填料的濃度直接相關(guān)。 (h) 敏感區(qū)分別位于金字塔結(jié)構(gòu)底部（h2:h1 = 0.2）和腰部（h2:h1 = 1.2）的傳感器比較，顯示腰部配置由于更有效的應(yīng)變傳遞而具有更高的靈敏度。 (i) 具有不同微結(jié)構(gòu)高度的傳感器在標(biāo)準(zhǔn)紋理樣品上重復(fù)滑動(dòng)時(shí)的電阻響應(yīng)。

在紋理方向識別方面，該三維觸覺傳感器能夠通過分析滑動(dòng)過程中的頻率特征，實(shí)現(xiàn)高精度各向異性紋理方向識別。如圖3所示，滑動(dòng)方向與紋理方向的夾角影響有效路徑長度，進(jìn)而改變響應(yīng)頻率。憑借高靈敏度和結(jié)構(gòu)均勻性，傳感器實(shí)現(xiàn)了1度的角度分辨率。圖3b顯示實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)測一致。圖3c展示了不同角度下的頻率響應(yīng)差異。為解決速度與方向耦合問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了由垂直傳感單元組成的模塊（圖3d），結(jié)合快速傅里葉變換和反正切函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了與滑動(dòng)速度無關(guān)的精確方向識別。圖3e展示了信號處理流程。圖3f-3h顯示傳感器集成于機(jī)器人手部后，在30度、45度和60度相對角度下，計(jì)算所得反正切值與實(shí)際角度高度吻合。

圖3 | 基于3D滑動(dòng)傳感器的自適應(yīng)高精度紋理方向識別。 (a) 不同角度的紋理方向識別示意圖。 (b) 不同角度下的滑動(dòng)頻率響應(yīng)。 (c) 紋理方向識別的角度分辨率。 (d) 相互垂直的傳感單元組合示意圖。 (e) 不同滑動(dòng)方向下的頻率響應(yīng)。 (f) 集成到機(jī)器人手中的傳感器陣列。 (g) 機(jī)器人手抓取不同紋理方向物體的示意圖。 (h) 不同角度下的紋理識別結(jié)果。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜觸覺感知，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了6×6傳感器陣列，用于滑動(dòng)路徑重建。如圖4所示，該陣列具有優(yōu)異的機(jī)械柔順性，可拉伸彎曲。圖4b和4c展示了陣列的拉伸和彎曲狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多通道高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有傳感單元電阻變化的實(shí)時(shí)測量。圖4d-4o展示了手指在陣列上描繪“S”、“I”、“A”形軌跡時(shí)，各傳感單元電阻隨時(shí)間的變化圖。通過電阻變化序列可重建滑動(dòng)路徑（圖4e、4h、4k、4n），而結(jié)合頻譜分析與接觸速度則可確定滑動(dòng)方向（圖4f、4i、4l、4o）。與依賴時(shí)域信號的傳統(tǒng)壓力傳感器陣列不同，該三維陣列通過自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可確定滑動(dòng)速度和方向，實(shí)現(xiàn)了類人皮膚的觸覺感知。

圖4 | 用于滑動(dòng)路徑重建的傳感器陣列。 (a) 用于檢測滑動(dòng)接觸的三維觸覺傳感器陣列示意圖。 (b) 拉伸變形下的傳感器陣列圖像。 (c) 共形附著在圓柱面上的傳感器陣列圖像。 (d-o) 基于單個(gè)傳感單元電阻映射的滑動(dòng)路徑重建。當(dāng)手指沿“S”形軌跡移動(dòng)時(shí)，每個(gè)傳感單元的電阻隨接觸位置變化。面板(d)和(m)顯示了基于電阻映射的一致重建結(jié)果。沿“S”軌跡的傳感單元接觸序列(e和n)對應(yīng)于觀察到的電阻變化。滑動(dòng)方向(f和o)通過結(jié)合電阻信號的頻譜和接觸速度測量值確定。對于“I”形軌跡，電阻圖(g)和相應(yīng)的時(shí)域信號(h)實(shí)現(xiàn)了路徑重建，而方向確定(i)通過頻譜和速度的聯(lián)合分析實(shí)現(xiàn)。類似地，對于“A”形軌跡，電阻圖(j)與實(shí)際路徑匹配，兩個(gè)傳感單元中電阻變化的序列(k)與接觸序列一致，推斷的方向(l)與計(jì)算結(jié)果一致。

最后，研究團(tuán)隊(duì)將傳感器陣列集成到機(jī)器人手部，用于三維表面識別，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)識別。如圖5所示，機(jī)器人手部集成了三維觸覺傳感器陣列（圖5a）和高速度多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖5b）。圖5c和5d顯示了機(jī)器人滑動(dòng)掠過三維漢字結(jié)構(gòu)時(shí)傳感單元的時(shí)域信號。基于這些數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)成功重建了三維漢字結(jié)構(gòu)（圖5e）。進(jìn)一步地，他們建立了基于SE-ResNeXt深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的識別框架（圖5f）。圖5g的主成分分析與k-means聚類結(jié)果顯示，七種復(fù)雜圖案的數(shù)據(jù)形成了各自獨(dú)立的簇。最終，基于700個(gè)樣本和25200個(gè)單元數(shù)據(jù)點(diǎn)，該系統(tǒng)對七個(gè)復(fù)雜三維漢字結(jié)構(gòu)的平均識別準(zhǔn)確率達(dá)到100%（圖5h）。

圖5 | 集成到機(jī)器人中用于3D表面識別。 (a) 集成到機(jī)器人手中的三維觸覺傳感器示意圖和照片。 (b) 高速多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。 (c) 三維觸覺傳感器陣列中的傳感單元在三維漢字結(jié)構(gòu)上滑動(dòng)時(shí)的時(shí)域信號。 (d) 單個(gè)傳感單元（第三列）在三維漢字結(jié)構(gòu)上滑動(dòng)時(shí)的時(shí)域信號。 (e) 基于滑動(dòng)觸覺數(shù)據(jù)的三維漢字結(jié)構(gòu)重建。 (f) 用于復(fù)雜紋理模式識別的基于深度學(xué)習(xí)的算法框圖。 (g) 使用主成分分析和k-means聚類對不同數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化，顯示相似數(shù)據(jù)組的聚類。 (h) 基于深度學(xué)習(xí)的識別結(jié)果，顯示復(fù)雜三維漢字結(jié)構(gòu)的平均準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種集成了3D打印、材料創(chuàng)新與激光直寫技術(shù)的新型可拉伸三維觸覺傳感器制造策略，實(shí)現(xiàn)了傳感器與曲面的無縫集成，顯著提升了器件性能。所開發(fā)的滑動(dòng)觸覺傳感器響應(yīng)頻率高達(dá)473.33赫茲，角度分辨率達(dá)1度。該制造方法還支持大面積滑動(dòng)觸覺傳感器陣列的高效規(guī)模化生產(chǎn)，非常適合機(jī)器人仿生皮膚應(yīng)用。通過滑動(dòng)路徑重建和三維表面結(jié)構(gòu)識別，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100%的復(fù)雜三維表面紋理識別準(zhǔn)確率。這項(xiàng)工作為高性能、可擴(kuò)展、大面積的三維觸覺傳感器集成提供了先進(jìn)制造方案，在機(jī)器人仿生皮膚系統(tǒng)中展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。