人体皮肤对机械刺激的感知源于机械感受器的传导，它将外力转化为电信号。虽然模仿这些机械感受器的空间分布可以使电子皮肤的发展能够解耦感应法向/剪切力和应变，但它仍然难以捉摸。
2024年5月30日，清华大学张一慧（2022年国家杰出青年科学基金获得者，36岁）团队在Science 在线发表题为“A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation”的研究论文，该研究报道了一种三维(3D)结构的电子皮肤(标记为3DAE-Skin)，其力和应变传感组件以3D布局排列，模仿人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。
这种3DAE-Skin具有优异的法向力、剪切力和应变解耦传感性能，可以开发触觉系统，通过触摸同时测量物体的模量/曲率。演示包括水果、面包和蛋糕的快速模量测量，具有不同的形状和新鲜度。该研究开发了一种基于3DAE-Skin、数据采集电路和深度学习辅助信号处理模块的触觉系统，可以通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。
另外，2023年3月24日，清华大学张一慧团队在Science 在线发表题为“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”的研究论文，该研究报道了一种使用微晶格精确设计3D多孔曲面的方法。该研究报告了一种合理的微晶格设计，允许通过机械引导组装将2D薄膜转换为可编程的3D曲面。分析建模和基于机器学习的计算方法作为形状编程的基础，并确定目标3D曲面所需的异构2D微晶格模式。总之，该研究提出了大约30种几何形状，包括规则介孔表面和生物介孔表面。演示包括一个顺应的心脏电子设备，一个类似黄貂鱼的双模驱动器和一个3D电子细胞支架（点击阅读）。
2021年9月22日，国伊利诺伊大学厄巴纳分校Leonardo P. Chamorro ，清华大学张一慧，美国西北大学黄永刚及John A. Rogers共同通讯在Nature 在线发表题为“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”的研究论文，该研究报道了一种3D飞行器其灵感来自风散植物种子的被动直升机式风传播机制。所采用的工艺可以快速并行制造大量飞行器同时可以使用标准绝缘体上硅技术集成简单的电子电路。该工作通过调整设计参数，如直径、孔隙率和机翼类型等，可以在设备和周围空气之间产生有益的相互作用。这种相互作用通过诱导旋转运动降低了飞行器的终端速度，增加了空气阻力并提高了稳定性。当与复杂的集成电路结合时，这些设备可以形成动态传感器网络，用于环境监测、无线通信基站或各种其他基于互联网/物联网的技术。
由于皮肤对多模态机械刺激的解耦感知能力和大脑对感知信号的学习和处理能力，人类能够完成灵巧的操作、环境探索和对触摸物体物理特性的感知等触觉任务。生物学研究表明，该皮肤对机械刺激的感觉来源于皮肤中机械感受器的转导，它将施加在皮肤上的力转化为电信号，并通过轴突传播到中枢神经系统(CNS)。Merkel细胞和Ruffini末梢是两种缓慢适应的机械感受器，分别位于表皮底部和真皮内部，在三维(3D)空间中密集分布。
由于Merkel细胞—由真皮中的胶原纤维网络支持—非常接近皮肤表面，它们对施加在皮肤上的力非常敏感，因为诱导应力从加载区域迅速衰减。与Merkel细胞相比，Ruffini末梢分布在离皮肤表面远得多的地方，因此即使在皮肤本身被拉伸时，对外力(例如压力)也不敏感由于机械感受器的这种三维分布，Merkel细胞和鲁菲尼末梢可以分别有效地感知皮肤的外力和应变。
模仿上述机械感受器在皮肤中的空间分布，可以开发出能够解耦感应法向/剪切力和应变的人造电子皮肤，但由于难以实现具有良好控制传感元件三维分布的复杂结构的3D电子设备，因此仍然具有很高的挑战性。虽然已经报道了许多令人鼓舞和激动人心的电子皮肤发展，如表皮电子学，神经形态皮肤电子系统，皮肤集成电子系统，具有内在可拉伸电子元件的电子皮肤，以及用于多参数传感的电子皮肤和触觉界面，但它们都没有模仿机械感受器的三维空间分布。此外，在接近人类皮肤的空间分辨率下，法向力、剪切力和拉伸应变的解耦测量也仍然难以实现。
3DAE-Skin的仿生设计和制造（图源自Science ）
该研究报告了一种生物灵感设计的3D结构电子皮肤，采用类似皮肤的多层结构，其中力和应变传感组件以3D布局排列，模仿皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。微加工技术允许形成由层压力和应变传感阵列组成的光刻定义的多层电子器件，通过精确控制的机械装配将其转化为仿生3D结构。3D架构设备的异质封装策略确保了力和应变传感组件周围的软材料具有与皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢相似的机械性能。实验和理论研究表明，3DAE-Skin具有良好的法向力、剪切力和应变的解耦传感性能。该研究开发了一种基于3DAE-Skin、数据采集电路和深度学习辅助信号处理模块的触觉系统，可以通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。
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