《Science》：低压的集成柔性电子皮肤，可实现神经感知运动回路

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

在未来的机器人与医疗设备中，同时模仿天然皮肤的感官反馈和机械特性的人造皮肤颇有前景。近期来自美国斯坦福大学的鲍哲楠教授带领的研究团队在《Science》上发表题为“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”的研究论文，介绍了一种低电压驱动、可监测压力与温度、并且能输出序列脉冲信号的可拉伸柔性电子皮肤。

图1 柔性电子皮肤的基本原理与构成

作者认为，理想的柔性电子皮肤使用的材料应当与组织机械性能匹配并保持稳定；电路方面，器件需要有较低的工作电压，并且构建有足够逻辑深度和功能复杂性的信号调理电路。由此柔性电子皮肤可以低功耗地采集感官信息，并对其仿生编码，进而在人机交互界面上实现神经形态驱动。

图2 高K值三层结构电介质，用于高性能、低压、可拉伸的有机晶体管和电路

丁腈橡胶中的丁腈基团极化使其有较高的介电常数，但磁滞大、迁移率低，这就对实现低驱动电压和高载流子迁移率形成了挑战。研究人员通过超薄的非极性聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）弹性体涂层（约15 nm）钝化高K丁腈橡胶，然后进行十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）分子修饰以作疏水处理，从而获得了较为理想的材料性能。相比于普通单层结构，载流子迁移率提高了约50倍。基于该材料的良好的耐溶剂性和图案化性，作者构建可拉伸晶体管阵列，并进一步集成制造了用于直接皮肤操作的低压功能电路。

图3 用于生成仿生脉冲序列的低压驱动软电路系统

研究人员设计的信号调理电路系统带有收集外部刺激的传感器、用于传感器信号频率调制的环形振荡器和用于生成类似脉冲序列信号的动作电位的边缘检测器，可以将不同幅值的外界刺激转换为恒定幅值、0~100Hz频率的电信号输出。在周期性的压力或温度外界环境刺激作用下，电路系统可以连续输出±5 V的信号超过8小时。

图4 可驱动下游身体运动的全固态柔性人工突触

研究人员基于前期研究中合成的离子电介质，制造了具有良好均匀性的全固态可拉伸突触晶体管阵列，对于输入信号有明显的频率响应特性，即对于1和100 Hz信号输入，其输出电流约有4个数量级的差异。这一特性使得频率编码的压力幅度信息可以产生不同幅值的突触电流，进而产生不同程度的身体运动。作者将柔性电子皮肤连接到大鼠躯体感觉皮层以模拟皮肤感觉，从而触发运动皮层的反馈反应。然后诱发的运动信号通过人工突触刺激坐骨神经，进行下游肌肉驱动，从而实现人造的感觉运动回路。

图5 用于人工感知-驱动回路的低压驱动柔性电子皮肤系统

研究人员通过合理的材料设计和器件工程应用，实现了全柔性的集成化电子皮肤系统，具有仿生感官反馈的功能和低驱动电压、高电路复杂性的特点，有助于皮肤义体、人机交互和神经机器人技术的未来发展。

文章来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086

转自：“i学术i科研”微信公众号

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