皮膚在人體中扮演著重要的角色，作為人體與外界的主要接口和保護(hù)層。它的感知能力和柔軟性使我們能夠感知外部刺激并在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)（圖1A）。然而，患有皮膚損傷或截肢的人可能會(huì)遇到感知和行動(dòng)之間的困難。盡管假肢可以部分恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，但仍存在局限性，如幻肢疼痛和手指靈活性不足，需要整合感覺(jué)反饋和柔韌性來(lái)解決。為了實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)界面，研究人員努力賦予電子系統(tǒng)以人體皮膚的特性。

目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了復(fù)雜的硅電路來(lái)模擬外周神經(jīng)系統(tǒng)，在假肢和機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)類似皮膚的感知能力。然而，在一個(gè)單一的設(shè)備平臺(tái)上構(gòu)建集成的、柔性的電子皮膚仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管柔性電子學(xué)和電路制造取得了進(jìn)展，但其應(yīng)用仍受限于用于互連線路的主動(dòng)矩陣陣列和傳感器信號(hào)放大。神經(jīng)假肢的電子皮膚需要提供類似神經(jīng)的脈沖列信號(hào)模式，以實(shí)現(xiàn)自然感覺(jué)和調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)。雖然壓電、摩擦電和離子壓力傳感器可以生成類似尖峰列的信號(hào)模式，但生物感覺(jué)受體使用調(diào)頻信號(hào)編碼輸入幅度信息，需要信號(hào)數(shù)字化和調(diào)節(jié)電路以實(shí)現(xiàn)人工突觸，從而觸發(fā)身體運(yùn)動(dòng)（圖1B）。

最近，來(lái)自斯坦福大學(xué)的Weichen Wang等人報(bào)道了一種單片集成、低電壓驅(qū)動(dòng)的軟性電子皮膚系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒(méi)有任何剛性電子組件，可以模擬生物皮膚的感覺(jué)反饋功能，包括多模式接收、類似神經(jīng)的脈沖列信號(hào)調(diào)節(jié)和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)（圖1C，D）。該系統(tǒng)采用了三層高介電常數(shù)（κ）、可伸縮介質(zhì)的設(shè)計(jì)，將可伸縮電路的驅(qū)動(dòng)電壓降低到幾伏特，以實(shí)現(xiàn)安全高效的在體操作。這一創(chuàng)新有望為截肢患者提供更好的假肢感知和控制能力，推動(dòng)人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展。

圖1 低電壓驅(qū)動(dòng)的人造軟體電子皮膚系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生物仿生的雙向信號(hào)傳輸。

低電壓驅(qū)動(dòng)、高性能、可拉伸的有機(jī)晶體管

現(xiàn)有的可伸縮有機(jī)電子仍需要高工作電壓，有著安全和能耗方面的問(wèn)題。而降低驅(qū)動(dòng)電壓需要增加?xùn)?a href="http://www.cshb120.cn/tags/電容/" target="_blank">電容，需要具有高介電常數(shù)的薄介電層（圖2Ai）。丁腈-丁二烯橡膠（NBR）是一個(gè)很有前途的候選材料，其介電常數(shù)高，可以在廣泛的頻率范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性（圖2B），這一特性對(duì)于晶體管和電路的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。研究人員開(kāi)發(fā)了一種直接光圖案化方法（最小可達(dá)2μm），采用紫外光誘導(dǎo)的疊氮交聯(lián)反應(yīng)。交聯(lián)的NBR具有耐溶劑性，然而測(cè)試表明晶體管的轉(zhuǎn)移曲線顯示出大的滯后和低遷移率，這可能是由于高極性丁腈基團(tuán)引起的半導(dǎo)體-介電界面處能級(jí)混亂。這種高κ值和高陷阱密度之間的權(quán)衡使得在可伸縮有機(jī)器件中實(shí)現(xiàn)低驅(qū)動(dòng)電壓和高載流子遷移率頗具挑戰(zhàn)性。

為了克服這個(gè)挑戰(zhàn)，研究人員接著開(kāi)發(fā)了一種三層電介質(zhì)，通過(guò)用超薄的非極性聚（苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯）（SEBS）彈性體涂層對(duì)高κ 的NBR進(jìn)行鈍化，隨后使用疏水性的十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）進(jìn)行分子修飾（圖2A）。這種具有適當(dāng)表面能的介電堆疊在可伸縮半導(dǎo)體層能夠中誘導(dǎo)出理想的納米限制形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高載流子遷移率，與單層NBR電介質(zhì)相比，在三層設(shè)計(jì)中，載流子遷移率提高了約50倍，同時(shí)保持了低驅(qū)動(dòng)電壓（圖2C）。為了量化界面陷阱密度，研究人員測(cè)量了各種電介質(zhì)設(shè)計(jì)的電荷傳輸?shù)幕罨埽‥A）。NBR-SEBS-OTS與直接旋涂半導(dǎo)體的組合顯示出最低的EA（圖 2D）。在SEBS和OTS層沉積后，擊穿電壓穩(wěn)定增加，表明針孔減少，這種三層電介質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低工作電壓和高載流子遷移率（圖2E，F(xiàn)）。

研究人員利用具有良好耐溶劑性和可圖案化性的高κ三層電介質(zhì)，取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展且無(wú)需轉(zhuǎn)移的低電壓驅(qū)動(dòng)可伸縮晶體管陣列的制造（圖2Aii）。所得到的陣列顯示出可伸縮晶體管的特性，具有低柵漏電流、高遷移率高產(chǎn)率、高可伸縮性等優(yōu)點(diǎn)（圖2Aiii）。與先前報(bào)道的低κ可伸縮電介質(zhì)相比，高κ三層電介質(zhì)通過(guò)通道寬度歸一化的跨導(dǎo)（Gm/Wch）提高了10倍以上，且實(shí)現(xiàn)了與剛性多晶硅晶體管相當(dāng)亞閾值擺幅（圖2G）。晶體管性能關(guān)鍵指標(biāo)（驅(qū)動(dòng)電壓、亞閾值擺幅、跨導(dǎo)、開(kāi)關(guān)比和泄漏電流）的改進(jìn)使得我們的軟性晶體管可以以低功率運(yùn)行，其動(dòng)態(tài)（1.7 pJ）和靜態(tài)（0.25 pW）功耗都比現(xiàn)有可伸縮晶體管低100倍左右（圖2H）。

圖2用于高性能和低電壓可拉伸有機(jī)晶體管和電路的高κ三層電介質(zhì)。

用于產(chǎn)生仿神經(jīng)脈沖的信號(hào)調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)

研究人員通過(guò)優(yōu)化單個(gè)晶體管的特性，成功集成了能直接在皮膚上運(yùn)行的低電壓功能電路，實(shí)現(xiàn)了模擬生物皮膚感受器的感覺(jué)功能。他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)電路系統(tǒng)，其中包括傳感器、環(huán)形振蕩器（ROs）和邊緣檢測(cè)器（EDs），以模擬自然感知過(guò)程中刺激信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸（圖3A-D）。為了解決頻率調(diào)諧的問(wèn)題，他們引入了一種新的設(shè)計(jì)，將傳感器放置在感測(cè)反相器中，通過(guò)調(diào)整感測(cè)反相器的上拉充電電流，實(shí)現(xiàn)了幅度解耦的頻率調(diào)制，具有寬動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定的振蕩幅度（圖3E-F）。

隨后，他們制造了多級(jí)RO用于區(qū)分來(lái)自多個(gè)傳感器的信息，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)可伸縮的多模態(tài)感知能力具有重要意義。為了更好地模仿脈沖列的生物編碼過(guò)程，研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了ED電路來(lái)“重塑”RO輸出信號(hào)。通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的延遲網(wǎng)絡(luò)和AND門(mén)，ED可以有效地捕獲輸入信號(hào)以生成穩(wěn)定的脈沖信號(hào)（圖3Gi）。然后，通過(guò)延遲網(wǎng)絡(luò)、AND門(mén)和相應(yīng)電路制造的最佳幾何設(shè)計(jì)，他們實(shí)現(xiàn)了一種可伸縮的ED，可以生成具有不同頻率的方波輸入的穩(wěn)定脈沖信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間約為4ms，幅度約為5V（圖3G）。

基于以上研究，他們隨之開(kāi)發(fā)了一個(gè)單片集成的柔性電子皮膚貼片，其驅(qū)動(dòng)電壓小于±5 V（圖3B，C）。他們還將基于碳納米管的可伸縮壓力傳感器和三維金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜溫度傳感器集成到系統(tǒng)中，分別模擬自然機(jī)械感受器和溫度感受器（圖3H）。當(dāng)施加0-50 kPa的壓力或?qū)囟葟?2°C升至90°C時(shí)，脈沖列信號(hào)會(huì)生成并更快地響應(yīng)壓力和溫度刺激水平（圖3I，J）。整個(gè)電子皮膚電路由54個(gè)可伸縮晶體管組成，實(shí)現(xiàn)了可伸縮有機(jī)電子的中等規(guī)模集成（圖3C，K）。

圖3 用于生成仿生脈沖序列的低壓驅(qū)動(dòng)軟電路系統(tǒng)。

用于觸發(fā)下游執(zhí)行動(dòng)作的全固態(tài)人工突觸

自然感知反饋環(huán)路的一個(gè)特點(diǎn)是感知和行動(dòng)之間的雙向信號(hào)通信。研究人員成功開(kāi)發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)雙向信號(hào)通信的固態(tài)離子突觸晶體管，以完成感知和行動(dòng)之間的傳遞（圖4A，C）。為了解決將頻率編碼的傳感器信息轉(zhuǎn)換為不同身體動(dòng)作水平的挑戰(zhàn)，研究人員引入了基于離子門(mén)控的突觸晶體管設(shè)計(jì)，具有類似生物突觸的工作機(jī)制（圖4B，D）。通過(guò)混合高離子導(dǎo)電性的離子導(dǎo)電彈性體（ICE）和單離子導(dǎo)電的聚電解質(zhì)（PiTFSI），他們開(kāi)發(fā)了固態(tài)離子介質(zhì)（圖4B），并通過(guò)疊氮交聯(lián)劑對(duì)這種離子介質(zhì)進(jìn)行了圖案化處理，制造出了全固態(tài)可伸縮的突觸晶體管陣列，具有良好的均勻性（圖4E）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同頻率的突觸前脈沖輸入下，突觸后電流幅度發(fā)生了顯著變化，即1 Hz和100 Hz輸入之間的輸出差異約為4個(gè)數(shù)量級(jí)，而擴(kuò)展到800 Hz時(shí)輸出差異約為7個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4D）。此外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在生理液體中浸泡后（8小時(shí)），全固態(tài)人工突觸的突觸后電流變化較小，而含有小分子離子液體的突觸則喪失了約98.2%的輸出電流（圖4F，G）。

圖4 基于輸入門(mén)頻率的全固態(tài)軟人工突觸，用于驅(qū)動(dòng)下游身體運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)單片柔性電子皮膚演示感知-運(yùn)動(dòng)回路

經(jīng)過(guò)在小鼠模型中的測(cè)試，全固態(tài)人工突觸的皮膚感知-肌肉激活回路在生物學(xué)上具有實(shí)用性（圖5A-C）。首先，研究人員將柔性電子皮膚與小鼠的體感皮層連接起來(lái)以模擬皮膚感知，并期望觸發(fā)運(yùn)動(dòng)皮層的反饋?lái)憫?yīng)。隨后，通過(guò)人工突觸傳遞觸發(fā)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，刺激坐骨神經(jīng)實(shí)現(xiàn)下游肌肉激活，從而完成人工感知-運(yùn)動(dòng)回路。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳感器受到不同大小的力量作用時(shí)，體感皮層的數(shù)字化輸入能夠成功地在運(yùn)動(dòng)皮層引發(fā)反應(yīng)（圖5D，E）。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大和信號(hào)處理后，利用記錄的觸發(fā)信號(hào)作為突觸晶體管的門(mén)控輸入，觀察到突觸后電流的幅度與施加的壓力成比例。與自然感知反饋過(guò)程類似，更強(qiáng)的力量刺激引起雙向電子皮膚系統(tǒng)產(chǎn)生更大的腿部抽搐角度，這與增加的壓力輸入相對(duì)應(yīng)（圖5F，G）。這些結(jié)果證明了人工電子皮膚在神經(jīng)假肢中應(yīng)用的潛在可行性。此外，該電子皮膚貼片在實(shí)驗(yàn)鼠皮膚上貼附了30小時(shí)，未觀察到皮膚刺激性反應(yīng)。

圖5 用于人工感知-肌動(dòng)循環(huán)的低電壓驅(qū)動(dòng)柔性電子皮膚系統(tǒng)。

綜上所述，我們的皮膚為我們的身體提供了一層保護(hù)層，但它也能提供詳細(xì)的感官反饋和與周圍環(huán)境的柔軟互動(dòng)。研究人員通過(guò)合理的材料設(shè)計(jì)和器件工程，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單體集成的柔性電子皮膚系統(tǒng)，無(wú)需剛性電子組件且具有低驅(qū)動(dòng)電壓、高電路復(fù)雜性和仿生感知反饋功能。這種神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)將皮膚的所有所需電學(xué)和機(jī)械特性結(jié)合在一個(gè)單一的設(shè)備平臺(tái)上，這一進(jìn)展將有助于為發(fā)展下一代假肢皮膚、人機(jī)界面和神經(jīng)機(jī)器人奠定道路。