電子皮膚（e-skin）是人造機器人中重要的環境感知組件，需要對各種觸覺信號敏感，包括應力、溫度、濕度。傳統的方法是使用不同類型的傳感器陣列的組合來直接測量多個物理信息，這確保了信號之間不會相互干擾。為了獲得更準確的物理信息，需要依賴更大密度和更廣泛種類的傳感器。然而，復雜的制造過程和有限的傳感器種類限制了電子皮膚應用。另一種解決方案是創建和檢測觸覺相關物理量的場，包括應力場、溫度場和磁場等。場在時間和空間上的連續性使我們能夠用有限的數據擬合和再現整個場，從而以較小的代價做出更準確的預測。以往的研究采用光學方法檢測應力場的變化，可以獲得與傳感器接觸的物體的形狀和硬度，但受限于相機的尺寸和剛性特性，光學方法難以應用于復雜曲面和柔性部位。另一項研究巧妙地利用傳感材料本身作為應力場和溫度場的載體，通過分析這兩個場的空間分布，可以識別各種觸覺運動。但這種方法只能給出粗略的觸覺運動分類，不能給出準確的物理結果，也不符合人類的習慣。

作為一種精巧而強大的觸覺器官，皮膚使人類能夠快速響應并與周圍環境進行精確交互。此外，由于皮膚具有柔軟且可拉伸的特性，它可以將復雜的外部接觸力轉化為自身的形變，從而構成內部應力場（圖1），并通過各種觸覺感受器實現對該應力場的精確傳感。這種應力場傳感方法對皮膚內部的觸覺感受器提出了很高的要求，以便在大的形變和壓力下穩定工作。例如，邁斯納小體（又稱觸覺小體）是皮膚表皮中的一種觸覺感受器，由神經末梢、雪旺細胞和結締組織組成，盤繞的神經末梢與扁平的雪旺細胞構成靈敏的機械感受器，周圍的結締組織將它們包裹得非常嚴密，以確保邁斯納小體即使在皮膚發生較大形變和壓力的情況下也能穩定工作。

圖1 邁斯納小體結構的應力場傳感和仿生示意圖

據麥姆斯咨詢報道，近期，受人體皮膚的機械刺激傳感原理以及皮膚結構支持應力場傳感原理的啟發，深圳大學物理與光電工程學院柔彈性電子與納米傳感器（SENS）研究中心設計了一種稱為仿生機械感受器（BMRs）的電子皮膚，通過重構應力場，該電子皮膚具有仿生、結構簡單、運行穩定以及多參數傳感的特點。相關研究成果以“Multi-parameter e-skin based on biomimetic mechanoreceptors and stress field sensing”為題發表于npj flexible electronics期刊。

該仿生機械感受器模擬人類皮膚的結構，由“表皮”傳感陣列、“真皮”傳感陣列以及夾在二者之間的類皮膚形變層組成。其中，類皮膚形變層由彈性體制成，作為應力場的載體，形變層一旦受到外力作用，很容易發生形變；“表皮”傳感陣列和“真皮”傳感陣列中包含模擬邁斯納小體結構的壓力檢測單元，對形變層頂部和底部的應力場分布進行采樣。

圖2 仿生機械感受器（BMRs）和組件的制備流程

通過重構和分析應力場，該仿生機械感受器可以精確測量三維力，并區分不同硬度的物體，無需集成多個傳感器即可以直接測量相應的觸覺信號。此外，由于應力場的變化只受外力的影響，不依賴于采樣位置，這種電子皮膚可以用簡單的方法制造，而且易于集成在曲面上，用于實際的觸覺任務。

圖3 基于應力場傳感的三維力檢測

圖4 物體硬度的測量

更重要的是，這種應力場傳感原理允許模塊化設計，即仿生機械感受器的每個部分都可以根據特定的傳感需求進行替換。例如，對于機器人指尖的靈敏觸覺傳感，可以使用低模量凝膠作為高靈敏傳感陣列的形變層；而對于主要需要高應力疲勞抵抗的機器人關節，可以使用高強度橡膠作為形變層，并使用傳感陣列實現寬測量范圍。因此，該研究為機器人觸覺傳感提供了一種通用且可靠的解決方案。

圖5 仿生機械感受器（BMRs）模塊化及其在曲面上的應用演示

總體而言，該應力場傳感方法代表了一種能夠從簡單的電子皮膚結構中獲得多參數觸覺信號的策略。值得注意的是，這種簡單的方法也是強大的、可靠的和普遍適用的。

編輯：黃飛