一种单片软假肢电子皮肤（斯坦福大学鲍哲南院士团队）

现有技术缺点：

1. 传统假肢缺乏类皮肤的感知反馈，导致控制不灵活、幻肢痛等问题，难以实现自然的人机界面。

2. 复杂的硅电路虽然能模拟神经系统，但与人体的组织适应性差，且较为笨重。

3. 现有柔性电子技术在制造出与人体组织相容的软电子皮肤方面面临挑战，例如材料需要兼具高稳定性、低工作电压和高效的信号处理能力。

文章亮点：

1. 作者设计出单片集成的软电子皮肤系统，不含任何刚性电子元件，具备低电压驱动和高电路复杂性。

2. 该电子皮肤系统具备多模态感知能力，能够生成类神经脉冲信号，并实现闭环驱动功能，能够更真实地模仿生物皮肤的反馈机制。

3. 采用高介电常数的三层弹性介电材料设计，能够在低电压下工作，降低能耗，同时实现与人体皮肤的良好兼容性。

应用场景：

1. 适用于假肢技术，帮助截肢患者实现更自然的感知反馈和运动控制。

2. 可用于机器人领域，提供类皮肤的触觉感知功能，提升机器人在非结构化环境中的适应性。

3. 人机界面和神经机器人的潜在应用，为实现下一代的智能机器人铺平道路。

总结与展望： 

通过创新的材料设计和器件工程，作者成功开发了一种集成了多模态感知、类神经信号处理和低功耗驱动的柔性电子皮肤系统。此系统在仿生感知反馈方面取得了突破，预示着在假肢皮肤、人机界面和智能机器人等领域的广阔前景。这一进展为开发更具生物集成性的柔性电子设备提供了新的思路。

文章名称：Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin

期刊：Science

文章DOI：10.1126/science.ade0086

通讯作者：斯坦福大学鲍哲南（Zhenan Bao）

图1. 低电压驱动的人工软电子皮肤系统实现生物仿生双向信号传输。(A) 左侧为生物皮肤中机械柔软性与感知反馈结合的示意图。右侧为生物集成电子皮肤系统的示意图，展示了人工感觉运动环路的构成。人工感觉受体能够对不同的外部刺激（温度和压力）做出响应。由ROs 和EDs 组成的低电压驱动电路能够将传感器信号编码为脉冲序列，以实现人工感觉处理。可拉伸的人工突触能够驱动下游肌肉运动。(B) 示意图展示了实现人工感觉运动环路的整体流程及电子皮肤组件。(C) 照片展示了由温度传感器、压力传感器和两套RO-ED集成电路组成的生物集成电子皮肤系统的优异皮肤贴合性。触碰指尖和手指按压在raspberry上的场景展示了作者开发的电子皮肤系统的感知能力和机械柔软性。(D) 照片展示了单片集成的软电子皮肤贴片的组成。

低电压驱动的高性能可拉伸有机晶体管

图2. 高介电常数三层介电材料用于高性能和低电压可拉伸有机晶体管及电路。(A) 面板(i)展示了高介电常数三层介电材料及低电压驱动晶体管的器件结构和材料示意图。面板(ii)为光学显微镜图像，显示了每平方厘米330个晶体管的晶体管阵列。放大图像展示了在0%（顶部）和100%（底部）应变下的晶体管。面板(iii)展示了在3 V下运行的具有最高迁移率的晶体管的转移特性。通常，平均迁移率在~0.7和1.5 cm² V⁻¹ s⁻¹之间。来自每个包含10个晶体管的阵列的批次中获得的最大平均值为2.01 cm² V⁻¹ s⁻¹。(B) 单层NBR和三层介电材料在不同频率下的介电常数和相位角。虚线椭圆及箭头表示介电相位角。(C) 不同介电材料的晶体管迁移率和水接触角。黑色图形表示水接触角的测试结果。(D) 不同介电材料的E（A）比较。(E) 作者的三层介电材料与不同种类的弹性体介电材料的介电强度和击穿电压比较。(F) 作者的工作与之前报道的可拉伸聚合物晶体管在操作电压和迁移率方面的比较。(G和H) 作者的低电压驱动晶体管与之前报道的使用共轭聚合物、碳纳米管、金属氧化物、非晶硅或多晶硅作为活性层的晶体管在亚阈值摆幅和跨导（Gm/Wch）方面的比较，以及单晶体管级内在功率延迟积和静态功耗（H）。用于功耗计算的供电电压是实现10^4的开关电流比所需的电压。阴影和虚线圆圈将相关参考文献分组。阴影或圆圈线的颜色对应于相同颜色的标题。在(F)到(H)中，不同形状和图案的符号用作视觉辅助，以区分与现有工作的不同晶体管。

用于类神经脉冲序列生成的信号调理电路系统

图3. 低电压驱动的软电路系统用于生成仿生脉冲序列。(A) 显示自然感知过程的示意图。(B) 可拉伸七级RO-ED电路的光学显微镜图像。(C) 仿生传感器电路系统用于感知信息编码的晶体管电路图。(D) 附着于手指的软电子皮肤照片。(E) 传感逆变器的电路图和工作机理。(F) 面板(i)展示了七级RO在不同负载电阻值下的幅度解耦频率调制的传输曲线。RO输出频率从0欧姆的16 Hz变化到2gigohm 的1.8 Hz。面板(ii)显示了在加载不同电阻时，五级和七级RO的振荡频率和幅度。(G) 面板(i)展示了来自ED的输入（上）和输出（下）信号，产生约4ms的脉冲宽度。面板(ii)显示了在不同输入信号频率下，三种不同个体脉冲的平均脉冲宽度（方块）和幅度（圆圈）。输入信号如下：方波，幅度5 V，50%占空比。(H) 面板(i)包含一张照片和放大图，展示具有金字塔结构的压力传感器。在面板(ii)和(iii)中分别显示了压力传感器和温度传感器在刺激下的电阻（R）变化。(I) 在按压-释放周期（上）中，压力传感器-RO-ED（五级）系统的脉冲序列输出（下）。(J) 根据(I)中显示的数据，传感器-RO-ED系统在不同压力下的输出频率。(K) 在集成规模水平（晶体管和逻辑门数量）方面，将作者所提出的RO-ED电路与先前报告的内在可拉伸电路进行比较。不同形状和模式的符号用于标记先前工作中电路所涉及的晶体管数量，相关的参考编号进行了标注。虚线表示可拉伸电子产品集成度随时间变化的趋势。

全固态人工突触以触发下游执行机制

图4. 基于门输入频率驱动下游身体运动的全固态软人工突触。(A和B) 生物突触(A)与人工突触晶体管(B)工作机理的比较。生物突触的组成部分已标注。作者人工突触的材料设计和选择在(B)中的虚线框内展示。A，电流计。(C) 在生物突触中，当以更高频率传递的动作电位通过运动神经时，会产生更大的肌肉力量（输出幅度）。(D) 从突触晶体管中预突触脉冲列频率与后突触电流幅度之间的相关性。当由脉冲列信号（模拟动作电位）控制时，流动离子（模拟神经递质）迁移至介电-半导体界面并诱导导电通道。更高的频率（以及更高的占空比）导致更高的后突触电流幅度。(E) 突触晶体管阵列的传输曲线及后突触电流分布（插图）。通道长度和宽度分别为80mm和320mm；介电厚度为2mm。(F) 不同介电材料的水稳定性比较。离子导电弹性体（ICE）加聚电解质（PiTFSI）在浸泡4小时后表现出稳定的器件性能。监测了三个晶体管，并对其后突触电流值进行了平均。(G) 使用从三个监测的突触晶体管平均的数据进行的稳定性测试结果。这些晶体管在水或37°C的磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中浸泡长达8小时。插图为一张展示浸没在水环境中的可拉伸突触晶体管阵列的照片。、后突触电流是通过(D)中操作30秒后的脉冲门控输出的峰值电流或(F)至(G)中在最高预突触偏压下的传输曲线输出获得的。

 单片软电子皮肤演示感觉运动循环

图5. 低电压驱动的软电子皮肤系统用于人工感知-驱动环路。(A) 示意图展示了人工感觉运动系统的结构。采用压力传感器-RO-ED系统将施加的力转换为脉冲信号，以刺激躯体感觉皮层并引发运动皮层的反应。从运动皮层记录的处理和放大信号被用作突触晶体管的门输入，从而导致不同的突触后电流以控制后肢。(B) )施加在压力传感器上的不同压力水平下的脉冲串输出频率。数据点来自于在运动皮层记录的信号频率。(C) 由不同门控信号频率偏置的突触晶体管电流输出。突触后电流通过在偏置期间平均三个连续的峰值电流获得。(D和E) 从运动皮层记录的信号对应于施加于传感器的不同压力。结果通过高通Butterworth 波器过滤，截止频率为120 Hz。(F) 照片展示了在不同频率刺激下，代表性动物模型的腿部抽动反应与不同压力输入的相关性。(G) 腿部抽动角度与施加压力之间的相关性，该相关性是基于所使用的刺激频率计算得出的。数据点代表四只大鼠的平均值。

Wang W, Jiang Y, Zhong D, Zhang Z, Choudhury S, Lai JC, Gong H, Niu S, Yan X, Zheng Y, Shih CC, Ning R, Lin Q, Li D, Kim YH, Kim J, Wang YX, Zhao C, Xu C, Ji X, Nishio Y, Lyu H, Tok JB, Bao Z. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin. Science. 2023 May 19;380(6646):735-742. doi: 10.1126/science.ade0086. Epub 2023 May 18. PMID: 37200416.

免责声明：《未来传感技术》致力于分享关于未来传感技术的科学科普和技术解读。所有内容来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将24小时内删除。