Science Advances：超薄电子皮肤

现有技术缺点：

1. 传统触觉界面多采用阵列结构，互连线数量多导致电噪声、干扰和串扰效应，影响信号质量。

2. 互连在受到外力或机械变形时容易导致低信噪比和单点故障，限制了触觉传感器的可靠性和性能。

3. 基于软材料的计算方法功能有限，无法实现高时空分辨率。

文章亮点：

1. 提出一种薄而柔软的电子皮肤，通过电阻抗成像（EIT）实现高分辨率的触觉界面，克服了传统阵列结构的缺陷。

2. 采用有机/无机混合结构，结合微图案化的多壁碳纳米管和弹性体复合材料，确保灵活性和稳定性。

3. 成功实现了在亚毫米级别的压力检测和几百微米的垂直变形辨识，具有出色的时空分辨率。

应用场景：

1. 在医疗、电子皮肤和机器人领域，用于实时反馈并增强用户交互体验。

2. 可应用于手写识别和无人机控制等人机交互（HMI）场景，提升用户的沉浸感和控制力。

3. 适合在多种可穿戴环境下使用，尤其是在存在动态变化的情况下。

文章名称：Extremely durable electrical impedance tomography–based soft and ultrathin wearable e-skin for three-dimensional tactile interfaces

期刊：Science Advances

文章DOI：10.1126/sciadv.adr1099

通讯作者：韩国延世大学 Ki Jun Yu和Jongbaeg Kim

用于 HMI 的柔性触觉映射电子皮肤

    作者的柔性薄电子皮肤具有双面弹性层，由PDMS和Ecoflex 0030（PECO）的混合物组成。由MWCNT和PECO纳米复合材料组成的主动感应区域展现出坚韧且可拉伸的机械特性（图1E）。内部感应区域的弹性特性通过沿皮肤变形增强了与人体的共形接触。利用这种软触觉传感器，作者展示了基于电阻成像技术（EIT）的方法进行高时空分辨率的三维（3D）压力映射以及两个可穿戴 HMI 应用：手写识别和无人机控制（图 1F）。

图1. 基于电阻抗成像（EIT）技术的软电子皮肤用于触觉映射界面的总体示意图。(A) 交叉条阵列结构触觉传感器的概念图，显示在机械变形下有限的空间分辨率和互连断裂。(B) 基于EIT的触觉传感器的传统设备形态示意图。(C) 本质上可拉伸、无互连的软电子皮肤，通过EIT实现高分辨率的三维触觉映射。(D) 软触觉传感器弯曲在杆上的照片。比例尺，5 mm。(E) 设备被拭子压迫的照片，展示了传感区域的本质可拉伸特性。比例尺，5 mm。(F) 触觉映射和人机界面（HMI）应用、手写和无人机控制器的流程图示意图。蓝框显示了在施加压力下，多壁碳纳米管（MWCNT）嵌入的弹性体的阻抗变化机制。

软性超薄电子皮肤的开发与分析

    作者采用微电机械系统（MEMS）制造工艺进行设备制造，展示了多壁碳纳米管（MWCNT）的均匀涂层及其与底层柔性电子元件的精确对齐（图2）。

图2. 软触觉传感器的机械和电气特性。(A) 软电子皮肤设备的制造过程。(B) 转移电子皮肤在软人皮肤（前臂）上的共形附着。红色框内插图展示了来自微图案化过程的对齐的多壁碳纳米管（MWCNT）和铜（Cu）电极。黑色框内插图显示了MWCNT网络。(C) PECO/MWCNT/PECO结构的应力/应变响应以及制造的软触觉传感器的力/深度关系。(D) 在类皮肤基底上对软触觉传感器进行单点和多点压缩的应力分布模拟。(E) 平均阻抗测量的测量设置示意图。来自16个相邻通道的平均阻抗作为电阻抗参数，施压点位于传感区域的中心，并使用压痕棒施加压力。(F) 触觉传感器根据施压深度的相对阻抗变化。(G) 在施压深度为2 mm的情况下，进行10,000个循环的相对电阻抗变化。红色和蓝色插图显示了循环开始和结束时的瞬时响应。

基于电阻成像技术的触觉映射界面

    作者利用电气成像技术（EIT）的原理来重构触觉信息，EIT的基本前提是可以通过对材料边界的电气测量推断材料内部电气特性的分布，如电导率和介电常数。

图3. EIT辅助触觉界面的三维映射性能。(A) 触觉传感器的电阻抗成像过程；208个测量电压数据通过与灵敏度矩阵的向量计算转换为二维40 × 40图像。(B) 单点压力的三维重建相对阻抗图和投影二维图形图；最大阻抗点表示被压点。(C) 软触觉传感器的多点映射能力；可以分别映射三个点及其施加的局部压力大小。(D) 传感分辨率测量的示意图；在 1 mm的距离内施加压力（左）和 9 次按压中每次估计的最大压力点的 2D 图形图（右）。(E) 附着在类似皮肤模具上的软触觉传感器的宽压力感应范围（约5mm）。右侧图表显示来自16个相邻电极的平均阻抗变化（蓝色）和重建图像的最大阻抗值（红色）。

在各种恶劣环境下的映射能力

    可穿戴电子设备面临严酷的外部环境，包括热量、湿气、运动伪影和各种干扰，这给其在实时可穿戴应用中的稳定运行带来了挑战。在这种情况下，调整参考状态以匹配变化的条件可以提高内部映射重建的准确性（图 4）。

图4. 在各种环境变化下的稳健映射能力。(A) 通过重置参考信息校准不需要的噪声信号。通过将参考设置为异常状态，可以清晰地映射压力信号。(B) 基于 EIT 的触觉传感器通过重置或更改参考显示出与损坏无关的映射能力。下方图表显示了设备切割状态下的测量电压（灰色）和在损坏区域施压下的设备电压（红色）。施压通常通过将参考状态重置为损坏状态来识别。(C) 在加热和冷却实验中，16个相邻电极的平均阻抗变化，以及重建图像显示感知区域整体阻抗降低。(D) 高温下施压映射能力的示意图及重建图像。(E) 对于不同弯曲半径，16个相邻电极的平均阻抗变化（蓝色）。紫色条表示设备在玻璃、漂浮（从玻璃上脱离后）和皮肤（可穿戴）状态下的平均阻抗。(F) 弯曲状态设备的施压映射能力示意图及重建图像。

 软触觉界面的可穿戴应用

    对于 HMI 应用，薄而柔软的界面可实现与人体的共形接触和高功能性（图5A）。针对直观的人机交互应用，作者通过追踪重建图像数据中的最大阻抗点来跟踪移动压力。作者增加了一些信号处理步骤，包括分类和简单的神经网络，并展示了两个实时应用（图5B）。手写识别是可穿戴触觉接口的一种典型人机交互应用。

图5. 可穿戴触觉传感器的实时应用：手写识别与无人机控制。(A) 可穿戴触觉传感器置于前臂上，监测手指触碰书写字母“S”的情况。(B) 软触觉传感器的人机交互应用流程图，分为测量、信号处理和应用三个部分。(C) 手写字母“S”的最大阻抗点跟踪的实时三维图。(D) 26个大写字母手写预测的相对准确性图。(E) 在手写字母“A”的10,000个循环中准确性变化；每100个字母作为每1000个循环的测量数据。(F) 通过触觉界面进行实时无人机控制。测量电压表示施加的动态压力变化（左）。动态压力通过电阻成像（EIT）方法映射为高分辨率图像，并根据压力的多个点、旋转、加压和移动进行划分（中）。分类命令传递给微型无人机，指令包括着陆、旋转、升起和移动（右）。

Kyubeen Kim et al., Extremely durable electrical impedance tomography–based soft and ultrathin wearable e-skin for three-dimensional tactile interfaces.Sci. Adv.10,eadr1099(2024).DOI:10.1126/sciadv.adr1099

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