能夠感知觸覺的皮膚能夠提供自然且直觀的交互體驗。然而，現(xiàn)有的人工皮膚設計在多功能性和可持續(xù)性之間存在取舍。在進化生物學中，生物的形狀是由基因組成和外部環(huán)境共同決定的；類似地，材料的性質源于基元組成和序構方式。因此，材料特性的調節(jié)可以通過類遺傳學的方法進行描述和實現(xiàn)。借鑒這一原理，人工皮膚有望樂高積木一樣靈活地重新配置組件。由此提出了一個新的設想——可以開發(fā)一種具有多種潛在的感知特性的類人皮膚系統(tǒng)，其部分功能可以通過材料基因的表達調節(jié)來選擇性改變。人工皮膚與材料基因概念的結合，將實現(xiàn)機器人皮膚系統(tǒng)的功能導向設計與持續(xù)性制造。
圖1 可變機器皮膚的設計概念圖
近日，北京科技大學前沿交叉科學技術研究院張躍院士和廈門大學電子科學與技術學院廖新勤、陳忠等人從生物進化中的基因表達原理中汲取靈感，開發(fā)了一種由同質單元構成的可變機器人皮膚。該人工皮膚通過可逆材料的誘導分化與熱水解回收，可以周期性地調整其固有特性，類似于生物體中的基因表達。與傳統(tǒng)的功能單一的傳感方案不同，這種設計允許源于組分的均質材料基元僅通過誘導條件變化從而激活多種觸摸感知功能，比如位置、壓力和動態(tài)觸覺等（圖1b）。這種可變性顯著提升了系統(tǒng)的多功能性和可持續(xù)性，降低了材料復雜性，并通過同質化結構的重新構建，實現(xiàn)了不同功能單元的定制化組合（圖1f）。該工作以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。論文第一作者為廈門大學電子科學與技術學院博士生于世凡。
圖2 快速溶解和高強度的交聯(lián)滲透復合水凝膠
作者提出了一種交聯(lián)-滲透復合水凝膠網(wǎng)絡：通過在本征聚乙烯醇（PVA）水凝膠網(wǎng)絡中引入第二相羧基化纖維素納米纖維（CCNF）滲透網(wǎng)絡來構建復合網(wǎng)絡（圖2a-d）。復合網(wǎng)絡解決了一般可回收網(wǎng)絡無法兼顧高機械強度和可回收便利性的難題（圖2e-g）；谒z的機器人皮膚具有狀態(tài)可復原、性質可繼承和功能可分化的三個特點，建立了生物組織基因表達與人工系統(tǒng)智能制造之間的聯(lián)系（圖i-k）。
圖3 觸覺定位層的設計與特性。
基于功能導向設計思路，水凝膠網(wǎng)絡被分化制造成兩層功能傳感層：觸摸定位層（TP層）和壓力感知層（PS層）。TP層由熱誘導聚合水凝膠制造。熱誘導聚合水凝膠具有高強度、高穩(wěn)定性和低電信號漂移特性，從而更適用于機器人皮膚的觸摸定位層。作者采用四電極結構，結合位置矯正算法，實現(xiàn)了大面積、全區(qū)域的高精度觸摸定位（圖3a-c）；诔祉憫<10ms）和超低誤差（均方誤差低于3%）的觸摸定位板展示了高精度觸摸定位、普適性手寫識別等功能（圖3d-i）。在回收復用制造后，傳感信號以及識別功能仍然保持（圖3j-k）。
圖4 壓力感應層的設計與特性。
PS層有冷凍誘導聚合水凝膠制造。冷凍誘導聚合水凝膠的高離子導電率提升壓力感知信號、柔軟特性，更能賦予PS層更貼近皮膚組織的體驗。作者采用結合半球形微結構設計，大幅提升了壓力感應的靈敏度（圖4c-e）。PS層不僅能夠感知靜態(tài)壓力，還可以通過分析觸覺動作的頻率和強度信號，區(qū)分不同的觸覺模式，如拍、打擊、撓等，這在觸覺互動中的應用潛力巨大（圖4f-g）。
圖5 觸覺互動系統(tǒng)的應用場景
作者驗證了兩種功能層協(xié)同工作能力？勺儥C器人皮膚能夠通過捕獲多種觸摸模式的觸覺信息（如拍打、撫摸等），并基于這些觸覺信號驅動機器人做出相應的動作（圖5a-d）。傳感模式集成實現(xiàn)融合觸覺信息的高效識別，可用于基于觸摸壓力與位置的人機觸覺交互。該系統(tǒng)僅需五個數(shù)據(jù)通道就可以傳輸全面積內的觸摸位置和壓力信息，通過結合位置信號與壓力信號的多模態(tài)分析，顯著提升了對復雜觸覺運動的識別精度（高達97.25%）（圖5e-j）。這一系統(tǒng)展現(xiàn)了可變機器皮膚在交互場景中的高效信息處理和反饋能力，在教育娛樂、智能機器人和仿生義肢等領域具有潛在應用價值。
這項工作提出了一種可改變的機器人皮膚，其傳感單元具有高度的自由度，可以重新排列特征圖案并按需更新傳感機制，從而實現(xiàn)卓越的功能可擴展性和可持續(xù)性。交聯(lián)-滲透復合凝膠網(wǎng)絡在保證高機械強度的同時降低溶解條件。它具有可恢復性、可遺傳性和可分化性三大特征，使材料的屬性表達能夠在溫度及其他交聯(lián)誘導環(huán)境下直接驅動。屬性的廣泛可調性為TP層和PS層帶來了高指向性的功能增強，可用于超分辨率坐標映射、高精度手寫交互和高效的觸摸模式分類。傳感單元允許獨立響應單個傳感模式而不受干擾，因此可變機器人皮膚在通過多維觸摸差分理解交互意義方面達到97.25%的準確性。這些特性有助于改善基于觸覺感知的多樣化交互體驗，在雙向HRI、仿生假肢和多模態(tài)控制系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416984
