仿生策略被視為提高觸覺傳感界面性能的一個重要手段，皮膚中的表皮-真皮互鎖結構能夠有效地放大觸覺刺激并將其轉移到皮膚機械感受器，使人體具備優異的壓力探測能力，因此目前許多的仿生工作集中在模仿這種互鎖結構。一般的仿生策略通常會使觸覺傳感界面的靈敏度和檢測范圍存在嚴重的競爭關系，具有高靈敏度的仿生觸覺傳感界面通常只能夠在有限的壓力范圍內工作，無法同時滿足高精度和寬范圍的壓力檢測。如何高效便捷地平衡觸覺傳感界面的靈敏度和檢測范圍來實現精細的壓力檢測和大范圍的壓力辨別仍然面臨諸多挑戰。

近期，廈門大學陳忠/廖新勤團隊提出了一種新穎的跨尺度設計策略來解決這個挑戰。研究團隊采用甲基纖維素和碳納米管進行復合，實現甲基纖維素良好的成膜特性和碳納米管優異導電特性互補，提高了敏感材料的機械強度，并使其能完美地貼附在微米級的起伏表面上形成牢固導電網絡。在微米尺度上，研究團隊通過剝離轉印技術，復刻了模板表面隨機分布的微結構以模仿皮膚的表皮-真皮互鎖結構，用于提高觸覺傳感界面靈敏度和檢測范圍。在毫米尺度上，研究團隊采用拱形分層的組裝，重構了觸覺傳感界面的機械形變過程，優化了接觸面積的步長，能夠同時實現靈敏度和檢測范圍的進一步提升。這種跨尺度設計實現了敏感材料與傳感結構間的相互協同，巧妙地解決觸覺傳感界面靈敏度和檢測范圍存在的此長彼消問題。

該工作以“Programmable and Ultrasensitive Haptic Interfaces Enabling Closed-Loop Human–Machine Interactions”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。文章第一作者為博士生林萬勝，通訊作者為陳忠教授和廖新勤副教授。研究工作得到了國家自然科學基金、福廈泉國家自主創新示范區合作項目、福建省自然科學基金和中央高校基本科研業務費等資助。

剝離轉印技術在可穿戴電子制備中被普遍應用，是實現將敏感材料轉移到柔性基板的一個重要手段。在這項工作中，研究團隊通過改變甲基纖維素粘性調控復合導電薄膜和砂紙基板的黏附性，使其低于PDMS對復合材料的粘性，確保能夠完整的復刻砂紙形貌并不破壞敏感層的功能性。

圖1 跨尺度仿生觸覺傳感界面的制備和表征

跨尺度仿生觸覺傳感界面的壓力探測范圍為180 kPa，探測極限為8 Pa（遠小于人體皮膚100 Pa）。響應時間和恢復時間分別是5 ms和8 ms（小于人體30 ms），這種快速的壓力響應能力與人工智能物聯網時代要求的低延時需求相匹配。 ? 圖2 跨尺度仿生觸覺傳感界面的機電性能 ?

研究團隊通過有限元分析手段探究了其中的機理。結果表明，雙拱結構的機械變形和棘突微結構能夠在較小壓力下極大的減少初始結束，并在大的壓力下能夠提供更多的結構支撐和導電路徑。跨尺度結構間相互協同，促進靈敏度和檢測范圍性能提升。

圖3 跨尺度仿生觸覺傳感界面的傳感機制研究 ?

數據手套作為跨尺度仿生觸覺界面的重要集成載體，對提升綜合交互能力具有重要意義。研究團隊開發了基于壓力數據交互手套的VR娛樂交互和小車控制。數據手套可以利用觸覺界面的優異壓力辨別能力實現個性化多功能的人機交互，避免傳統按鍵手柄的冗余設計，豐富了交互場景。并且其在使用方式上符合大腦邏輯，能夠實現沉浸式交互，這對虛擬現實領域是及其重要的。另外，用戶僅憑借指尖感知就能操作數據手套，可以實現了全天候不受限的人機交互，即使在黑暗中也能進行自由操控。

圖4 基于無線壓力數據手套的人機交互應用開發

編輯：黃飛

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