电子皮肤最新综述-当电子皮肤拥有 “3D” 智慧触觉

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研究背景

电子皮肤（e-skin）旨在模拟人类皮肤的几何形态、材料属性和多功能性，在过去二十年发展迅速，在学术和工业领域都备受关注。触觉作为人类感知外界的重要方式，对电子皮肤与环境的有效交互至关重要。由于人类皮肤是由复杂的 3D 结构组成，不同类型的机械感受器呈空间分布，因此开发能够复制人类皮肤某些结构特征的 3D 触觉电子皮肤成为重要趋势。与平面设计的电子皮肤相比，3D 架构的电子皮肤在设计自由度、结构复杂性和信号输出多样性上具有优势，在检测剪切力、解耦多种机械刺激感知等方面表现出色，具备广阔的应用前景。

研究成果

触觉电子皮肤（e-skin）是一种柔性电子设备，旨在复制人类皮肤的触觉感知能力，同时具备类似皮肤的几何特征和材料属性。由于人类皮肤由复杂的三维结构组成，各类机械感受器呈空间分布，因此触觉电子皮肤发展的一个重要趋势是引入能够复制人类皮肤某些结构特征的三维设备架构。由此产生的三维架构电子皮肤在检测剪切力和分离感知多种机械刺激方面展现出优势，这在许多应用场景中至关重要。在这篇综述文章中，清华大学张一慧教授团队总结了现有三维架构电子皮肤的主要生物原型，并重点介绍了与触觉感知能力相关的关键三维架构。然后，突出了三维架构电子皮肤在超分辨率触觉传感以及预测物体的各种物理属性和表面特征方面增强的触觉感知能力，这使得其在物体识别、人机交互、灵巧操作和健康监测等广泛的实际应用中具有巨大潜力。最后，讨论了三维架构触觉电子皮肤未来发展面临的科学挑战和机遇。相关研究以“Three-Dimensionally Architected Tactile Electronic Skins”为题发表在ACS NANO期刊上。

综述要点

1. 3D 架构触觉电子皮肤的仿生设计

人类皮肤由表皮、真皮和皮下组织三层构成，内部的机械感受器（如 Merkel 细胞、Ruffini 末梢、Meissner 小体和 Pacinian 小体等）呈空间分布，负责感知不同的触觉刺激。此外，皮肤的毛发、指纹等微观结构也具有特定的传感功能。受这些结构启发，研究人员从 3D 微观结构、表面形态、多层结构和机械感受器的 3D 布局四个方面对电子皮肤进行设计。例如，模仿毛发的电子皮肤可检测气流和轻触；带有仿生指纹的电子皮肤能有效识别纹理；模拟皮肤多层结构的电子皮肤可测量物体温度、环境温度和压力；仿照机械感受器布局的电子皮肤可实现压力、剪切和应变的解耦传感。同时，电子皮肤还可借鉴动物皮肤的特殊功能，如壁虎和青蛙脚部的特殊结构来增强粘附力，并且通过材料选择和结构设计来复制人类皮肤的机械性能。

2. 3D 架构触觉电子皮肤增强的传感能力

剪切传感能力：3D 架构电子皮肤在剪切力检测上具有独特优势，平面设计的电子皮肤难以实现这一点。其剪切传感原理主要有三类：通过在 3D 空间部署不同方向的应变计，利用应变计的伸长和缩短来推导剪切变形；借助 3D 架构将剪切载荷转化为组件间压力进行测量；基于位移检测，利用电、磁或光场的变化来感知剪切。

解耦传感能力：在多种刺激同时出现时，解耦传感对于保证测量准确性至关重要。3D 架构电子皮肤可通过物理结构设计减少压力、剪切、拉伸和 / 或温度等各种载荷之间的相互干扰。例如，通过局部硬化弹性体基板或中断载荷传递路径实现压力测量的应变不敏感性；通过引入高度差或合理定位应变传感器实现应变测量时排除压力干扰，进而实现压力和应变的解耦传感。

3. 3D 架构触觉电子皮肤的先进触觉感知形式

超分辨率触觉传感：超分辨率触觉传感是先进触觉感知的代表，通过将传感器阵列嵌入弹性体中，获取信号输出并映射变形场，从而精确测量力的位置和强度。3D 架构对于实现高的超分辨率因子至关重要，它能优化载荷传递路径，过滤噪声。多种 3D 架构的电子皮肤已展示出超分辨率触觉传感能力，如基于多层结构的生物模拟电子皮肤、基于气压计阵列的触觉系统以及磁敏电子皮肤等。

物理属性和表面特征感知：物体识别是智能机器人的基本任务，触觉传感在其中不可或缺。许多物理属性和表面特征（如弹性模量、热导率和粗糙度等）难以通过其他传感方法评估，而 3D 架构电子皮肤可通过巧妙的结构设计或数据驱动方法来测量这些属性和特征。例如，基于膜的传感器可测量弹性模量，结合深度学习的触觉系统能同时测量弹性模量和局部主曲率，带有指纹和快慢适应传感器的触觉皮肤可预测表面粗糙度和分类纹理，集成加热器的触觉传感器能测量热导率。

系统级智能驱动的应用：模仿人类皮肤机械感知的 3D 架构电子皮肤为智能系统与环境的复杂交互提供了支持。集成了 3D 架构电子皮肤的系统在物体识别、食品检测、健康监测、人机交互、灵巧操作和感觉再现等领域展现出广阔的应用前景。

图文导读

Figure 1. A diversity of 3D microstructures exploited in electronic skin to determine physical properties of an object via tactile information.

Figure 2. Bioinspired designs of 3D architected tactile electronic skins.

Figure 3. Shear sensing using 3D architected tactile electronic skins.

Figure 4. Decoupled measurement of pressure and strain using 3D architected tactile electronic skins.

Figure 5. Super-resolution tactile sensing using 3D architected electronic skins.

Figure 6. Measurement of physical properties of an object using 3D architected tactile electronic skins.

Figure 7. Applications of enhanced tactile sensing achieved by 3D architected electronic skins.

总结与展望

本文聚焦于 3D 架构触觉电子皮肤这一前沿领域，系统阐述了其从仿生设计、传感能力提升到先进感知应用的多方面进展。人类皮肤的复杂 3D 结构和机械感受器分布是其强大触觉感知的基础，受此启发，研究人员从多个层面模仿皮肤结构设计电子皮肤，显著提升了触觉传感性能。在传感能力上，3D 架构电子皮肤解决了平面设计电子皮肤在检测剪切力和解耦多种机械刺激感知方面的难题，为精确感知复杂触觉信息提供了可能。同时，借助超分辨率触觉传感、物理属性和表面特征感知技术，结合系统级智能应用，其在物体识别、人机交互、健康监测等领域展现出广阔的应用前景。

尽管 3D 架构触觉电子皮肤取得了显著进展，但目前人造电子皮肤与人类皮肤在微观结构复杂性、物理 / 生化属性、机械感受器密度 / 多样性以及功能等方面仍存在较大差距，这也为该领域带来了诸多发展机遇：

（1）组件集成挑战与机遇：实现高密度、异质的各类传感组件在仿生 3D 布局中的集成，且达到接近人类指尖机械感受器的物理分辨率是一大挑战。目前虽有针对平面有机材料系统中可拉伸、高密度压敏晶体管阵列和功能电路的加工技术，但开发适用于多种传感材料和组件（如金属、硅、压电材料、液态金属等）微图案化的新型制造技术仍是未来研究的方向。

（2）复杂表面适配难题：将 3D 架构电子皮肤稳定、可靠地贴合在非可展表面并保持触觉传感精度是当前面临的难题。现有电子皮肤多为平面薄膜状，在贴合复杂曲面时会发生大变形，影响传感精度。未来需要开发特殊设计的架构和信号处理算法，以确保在各种复杂表面上的适用性。

（3）非线性物理属性感知的突破：理解物体的非线性物理属性（如橡胶的硬化效应、软组织的非线性应力 - 应变行为等）对人类和智能系统与物体的有效交互至关重要，但现有 3D 架构电子皮肤大多未考虑这些特性。未来可通过设计可变形的 3D 架构和开发先进的信号处理算法，结合相应物理模型来解决这一问题。

（4）系统集成的探索：当前多数触觉系统中，电子皮肤、数据采集和信号处理模块相互分离，导致系统复杂、庞大。开发具有传感器上计算能力的 3D 架构触觉电子皮肤，有望简化系统，这是一个有待深入探索的方向。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02232

来源：微波工程仿真

超表面阻抗调制

在微波频段，超表面(MTS)可以通过在薄的接地平板上印制调制金属纹理来实现。由于其亚波长特性，通过均匀化处理，这种纹理可被视为等效的调制阻抗边界条件（IBC）。这种 IBC 的合理设计能够将有界表面波（SW）转换为漏波（LW）模式，并对辐射孔径场的相位、幅度和极化进行精确控制。目录 MTS 各向异性电抗衰减常数和调制指数之间的关系参考资料 *As shown below👇*MTS 各向异性电抗#超表面的金属覆层可等效为厄米特电抗张量 X(ρ)，在无损耗情况下为实对称矩阵，描述切向电场与磁场的关系：电抗张量采用螺旋形调制，其参数形式为： #表面波与漏波转换内向 / 外向表面波（0 阶模式）通过超表面的阻抗调制转换为漏波（-1 阶模式），泄漏参数 α(ρ) 决定能量辐射速率，调制指数 m(ρ)控制孔径场的幅度分布（如高斯 taper），优化辐射效率和波束纯度。通过调控切向电磁场的连续性，超表面等效为 “电磁调控界面”，可独立控制两种极化波的相位、幅度和传播方向，实现共孔径双极化辐射，避免传统双极化天线的体积和馈电复杂性问题。 *衰减常数和调制指数之间的关系衰减常数α(ρ)与调制指数m(ρ)的关系是实现双圆极化超表面天线高效辐射的核心机制之一.#衰减常数α(ρ) 描述漏波（LW）在超表面孔径上的能量泄漏速率，直接影响辐射效率和孔径场分布。单位为 1/m，数值越大表示能量泄漏越快，辐射越集中于孔径近端；反之则泄漏缓慢，能量分布更均匀。#调制指数m(ρ) 表征超表面阻抗调制的强度，定义为电抗分量相对于平均电抗的变化幅度。无量纲参数，取值范围通常为 0<m(ρ)<1，m(ρ)=0 表示无调制（均匀电抗表面），m(ρ)=1 表示最大调制幅度。依赖关系的核心方程衰减常数 α(ρ) 主要由平均电抗 X_0 和调制指数m(ρ) 决定，通过求解一维规范问题（如均匀平面波与调制表面的相互作用）获得，其函数关系可表示为：α = f(m, X_0)具体求解方法包括：广义 Oliner 方法：适用于各向异性阻抗边界条件（IBC），通过分析调制表面的模式耦合推导衰减常数29。解析近似：对于正弦调制或高斯调制，可通过渐近分析或数值拟合得到闭式表达式30。参考文献 [1] R. Thanikonda, M. Faenzi, A. Toccafondi, E. Martini and S. Maci, "Dual Circularly Polarized Metasurface Antenna Based on Inward and Outward Surface Wave Duplexing," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 73, no. 5, pp. 2700-2712, May 2025, doi: 10.1109/TAP.2025.3529257. 来源：微波工程仿真