近年来，柔性电子皮肤因在健康监测、人机交互、智能机器人等领域的巨大应用潜力而备受关注。作为模仿人类皮肤的电子器件，柔性电子皮肤被期望具有与皮肤类似的感知及识别功能。目前，柔性传感技术的快速发展已实现了柔性电子皮肤对触觉强度（即压力）的准确检测；然而，在智能机器人及人造假肢等领域备受期待的三维表面形貌的定量识别，对于当前的柔性电子皮肤来说仍是一个挑战。同时，柔性电子皮肤也被期望具有传输大量人造信息的能力且能适用于多样化的实际场景，以满足智能化时代高效人机交互及多功能应用的需求。
图1. a) 人体皮肤结构示意图；b) 仿生柔性电子皮肤示意图；c) 3D表面形貌的定量识别原理；d) 高容量信息传输的原理及示意图。
近期，澳门大学应用物理及材料工程研究院周冰朴副教授的研究团队受人体皮肤的启发，设计出一种由毛发状的磁化微纤毛阵列（MMCA）和柔性线圈电路组成的自供电多功能柔性电子皮肤（图1a-b）。得益于内嵌的亚铁磁性NdFeB颗粒，微纤毛结构在磁化后具有固定的磁矩排列，使得MMCA成为可穿戴式的柔性永磁体。而微纤毛结构出色的机械变形能力使MMCA能针对表面形貌产生自适应变形，这种变形会改变MMCA的磁场分布，引起穿过底部线圈的磁通量变化，进而产生相应的电压信号。通过解析电压信号的强度和波形，表面形貌的三维信息包括凸起/凹陷表面、高度/深度、宽度/长度等均可被定量识别（图1c）。该电子皮肤亦可定量检测外界压力的动态变化，用于压力传感。此外，通过定制MMCA内置的磁矩排列，该电子皮肤还可在同种触觉刺激下产生多种电压波形作为信息编码，用于高效人机交互和大容量信息传输 （图1d）。由于该电子皮肤的感知能力来源于MMCA变形导致的电磁感应现象，其不仅具有自供电的优势，还可对高温、水下等恶劣环境免疫。
图2. a) 柔性电子皮肤用于识别基于凸起及凹陷点阵的盲文信息示意图；b-c) 电子皮肤对基于凸起（b）和凹陷（c）点阵构成的盲文字母“h”和“i”的动态响应；d) 电子皮肤对浮雕字母“M”、”I”、”C”、”R”和”O”的动态响应；e）相应字母的形貌重塑结果。
优化后的电子皮肤在竖直方向上具有0.1-1.2 mm的宽检测范围，因此不仅可以识别毫米尺度的盲文信息，为装配假肢的盲人或视力障碍群体提供便利（图2a-c），还可以通过触觉感知识别并重塑微米尺度上的浮雕字母信息（图2d-e），为解决传统光传感智能机器人无法在低可视度条件下有效识别形貌的限制提供更多可能。由于该电子皮肤亦具有压力传感能力，其也可作为穿戴器件用于健康监测（包括呼吸状态识别、关节弯曲感应、动作行为捕捉等）。此外，通过定制不同区域MMCA的反向磁矩排列，触摸电子皮肤的不同区域将产生相反的磁场变化及电压波形（图3a）。组合触摸位置、顺序、次数等参数，单个电子皮肤即可输出多种不同电压波形作为信息编码，用于大容量的指令传输（图3b）和高效的水下摩斯密码通讯（图3c-e）。这不仅避免了多器件集成的需求，也有效降低了信息写入/读出的复杂性。此外，将输出的电压波形作为信息编码不依赖于触摸强度的变化，因此可有效保证信息传输的准确性。
图3. a) 通过触摸具有反向磁矩的MMCA产生多种信号作为信息编码的原理；b）作为单字节、双字节以及三字节编码指令的实时电压波形；c) 水下智能通信的示意图；d-e) 摩斯密码信息“SOS”（d）和“OK”（e）的实时电压波形。
相关工作以“Magnetized Microcilia Array based Self-powered Electronic Skin for Micro-scaled 3D Morphology Recognition and High-capacity Communication”为题发表于Advanced Functional Materials。文章的通讯作者为周冰朴副教授，第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院周倩博士。该工作由澳门特别行政区科学技术发展基金（0088/2021/A2和0026/2020/AGJ）和广东科学技术厅（2021A0505080004）资助。该工作亦获得珠海市科技创新局产学研合作项目（ZH22017002210019PWC）的部分资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208120
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