電子皮膚（E-skin）是實現(xiàn)靈巧手觸覺感知的關(guān)鍵技術(shù)，架起了人機交互與智能響應(yīng)之間的橋梁，其多功能感知、決策與交互控制的高集成能力，是實現(xiàn)靈巧手類人操作的核心前提。然而，現(xiàn)有電子皮膚普遍存在功能單一、制造工藝復(fù)雜、規(guī)模化生產(chǎn)難等技術(shù)瓶頸，難以滿足醫(yī)療手術(shù)、工業(yè)操控等領(lǐng)域?qū)Ω呔取⒆赃m應(yīng)交互的嚴苛需求。
針對上述挑戰(zhàn)，國內(nèi)外研究者積極探索相關(guān)傳感機制與制造技術(shù)的融合創(chuàng)新。一方面，摩擦納米發(fā)電機因其自供能、高靈敏度和豐富信號等特征，被廣泛用于構(gòu)建多功能觸覺傳感器；另一方面，3D 打印技術(shù)憑借其低成本、可定制化和大面積兼容性，成為實現(xiàn)電子皮膚規(guī)模化制造的重要途徑。盡管現(xiàn)階段已有部分工作嘗試將機器學(xué)習(xí)引入觸覺感知系統(tǒng)，解碼復(fù)雜信號并提升電子皮膚的識別精度。然而，如何將高性能傳感材料、可擴展制造工藝與先進人工智能算法深度融合，構(gòu)建集“感知-認知-控制”于一體的電子皮膚系統(tǒng)，仍是亟待突破的難題。
在此背景下，深圳大學(xué)龔峰教授、李輝副教授聯(lián)合中山大學(xué)蔣樂倫教授等團隊，創(chuàng)新性提出界面限域同軸打印技術(shù)（ICCP），成功開發(fā)出 AI 賦能全打印可拉伸摩擦電電子皮膚（TE-Skin）。該研究通過“全區(qū)域集成 + 多功能協(xié)同 + 規(guī)模化制造”的一體化設(shè)計制造，實現(xiàn)電子皮膚在靈巧手指尖、手掌、手背適配，兼具觸覺成像、材質(zhì)鑒別、用戶認證與手勢控制等多重功能。相關(guān)成果“An AI-Powered, All-Printed, Scalable, Stretchable Triboelectric E-Skin for Multifunctional Perception in Dexterous Hand”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。
1. 一體化設(shè)計理念：突破功能集成與適配性限制
研究創(chuàng)新性提出界面限域同軸打印技術(shù)（ICCP），結(jié)構(gòu)上以190μm、11.25dpi實現(xiàn)超薄高密度傳感陣列的制造，可實現(xiàn)雙重性能突破。一方面，全區(qū)域適配性能，使傳感器可無縫貼合在靈巧手的指尖、手掌、手背等部位；另一方面作為多模態(tài)傳感單元，傳感陣列支持同步軌跡識別、壓力映射等多元感知。這種 “全區(qū)域覆蓋 - 多功能集成” 的設(shè)計理念，成功解決了傳統(tǒng)電子皮膚傳感單一、適配性差的行業(yè)痛點（圖1）。
圖1. TE-skin設(shè)計概念圖。
2.創(chuàng)新制造工藝：界面壓縮輔助同軸打印技術(shù)（ICCP）
研究為實現(xiàn)電子皮膚的規(guī)模化、低成本制造，通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch? S140，精度：10μm）打印的定制化同軸打印噴頭與ICCP技術(shù)，將傳統(tǒng)同軸打印的圓形纖維轉(zhuǎn)化為超薄帶狀結(jié)構(gòu)，厚度僅約為一元硬幣的 1/6。此外，該技術(shù)可在1小時內(nèi)快速制備出 220mm×220mm 的大面積電子皮膚，解決規(guī)模化生產(chǎn)難題；同時傳感陣列也能保持超強的機械穩(wěn)定性，在承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等形變后，依舊高性能輸出，為電子皮膚的工程化應(yīng)用奠定核心基礎(chǔ)（圖2）。
圖2. ICCP制造工藝及打印參數(shù)影響圖。
3. 多功能感知能力：AI 驅(qū)動的高精度交互
TE-Skin 依托深度學(xué)習(xí)算法對摩擦電信號的精準解碼，實現(xiàn)在靈巧手上的四大核心功能突破：
（1）用戶認證：通過識別手指按壓的頻率、力度、時長等特征，結(jié)合 ConvNeXt 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用戶識別準確率超 95%，為靈巧手提供個性化安全管控；
（2）材料識別：指尖集成的傳感單元可捕捉不同材料的摩擦電信號特征，對織物、玻璃、塑料等 10 類常見材料的識別準確率達 95% 以上；
（3）形狀與壓力感知：手掌區(qū)域的高分辨率傳感陣列可實時生成觸覺壓力分布圖，精準還原不同形狀物體的輪廓特征；
（4）靈巧手運動控制：手背區(qū)域的功能分區(qū)設(shè)計可實現(xiàn)手指角度調(diào)節(jié)、抓取姿態(tài)控制等指令，支持網(wǎng)球、紙盒等不同物體的自適應(yīng)抓取與搬運。
綜上，“安全認證-精準感知”的多維交互模式與“全流程閉環(huán)-復(fù)雜任務(wù)適配”的應(yīng)用能力，共同推動柔性電子皮膚從實驗室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用（圖3）。
圖3. TE - skin在靈巧手中功能驗證。
本研究創(chuàng)新性提出一種基于界面限域的同軸打印技術(shù)，成功制備出兼具規(guī)模化制造與多功能感知的摩擦電電子皮膚，為開發(fā)先進多功能傳感系統(tǒng)提供了極具吸引力的解決方案，使靈巧手能夠同時獲取人體和環(huán)境的觸覺信息。同時， AI 與摩擦電傳感器的深度融合，大幅提升了人機交互的精準度與安全性，為機器人領(lǐng)域的電子皮膚設(shè)計提供了極具前景的框架，為下一代精細操作和高精度人機交互場景提供技術(shù)支持。
深圳大學(xué)龔峰教授、李輝副教授及中山大學(xué)蔣樂倫教授為該論文共同通訊作者，深圳大學(xué)碩士研究生陳趙丫為第一作者，寧波大學(xué)金育安教授、中山大學(xué)劉彬副教授、深圳大學(xué)徐斌副教授、王蓓、李展達等為共同作者。該論文獲得國家自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃項目等資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202527673
