第一作者：胡煜、黄梓健

通讯作者：廖新勤

通讯单位：厦门大学电子科学与技术学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202530875

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触觉感知赋予了具身智能自主认知和决策的能力。然而，基于冯·诺依曼架构的传统传感框架面临着感知与计算分离的问题，导致数据冗余、参数调整复杂以及扩展性受限。 针对这一痛点，厦门大学廖新勤团队提出了一种双模态可编程智能电子皮肤（DPI e-skin），创新性地利用触觉事件驱动的感内计算（In-sensor Computing），实现了高效的位置与压力同步识别。 受蚁群“个体受限，群体协作”行为的启发，该研究采用可扩展的多层堆叠架构，在器件层面重构信号形式，直接输出符合认知尺度的连续位置信息和梯度压力分类。 DPI电子皮肤在大幅减少冗余数据的同时，保持了极高的传感性能，具备精准的位置分辨率（<500 µm）和可调节的宽检测范围（>380 kPa）。此外，不同层级的压力阈值可动态调整，支持多自由度控制和打字系统等多种应用。 得益于位置与压力的协同作用，DPI电子皮肤还可作为加密设备，实现高准确率（>96%）的用户静态与动态特征识别。 本研究为高性能、深度集成的触觉感知提供了一种创新的设计范式，旨在实现更高效、更安全和个性化的交互智能。

背景介绍

触觉感知是近程人机交互（HMI）的核心载体。为了实现高效、自然的触觉交互，必须同时满足两个关键传感特性需求：（1）连续位置感知，以确保平滑的轨迹追踪（如滑动和路径规划）；（2）梯度压力感知，以区分意图强度（如轻按输入小写，重按输入大写）。然而，传统的离散阵列架构主要通过复制和叠加单点压力传感单元来扩展触觉位置模态。这种设计在导致信号形式上以人的主观感知习惯存在天然的不匹配：压力特征通常转换为连续模拟信号，而位置信息则因传感单元的面积和间距而被离散化。这导致了盲区及特征丢失，难以满足复杂滑动的连续识别需求。此外，为了将连续压力信号转换为离散的梯度意图，通常依赖后端算法处理，这带来了数据冗余、信号串扰和低效处理的问题。因此，打破传统的“感算分离”框架，将信号计算功能集成到传感器端（感算一体化），是实现交互智能准确直观理解触觉特征的迫切需求。

研究出发点

1）仿生设计与感算一体架构：受蚁群生物学行为（个体功能受限，群体协作赋能）的启发，本研究设计了垂直堆叠的多层结构。单层作为“个体”提供连续位置感知，多层通过结构耦合实现“群体协作”，将功能扩展至压力层级识别，在器件内部实现了信号的形态计算与重构。

2）可编程与可调控机制：采用均匀喷涂技术和面对面平行封装制备位置传感层。利用层间距调节各层的压力阈值，无需外部比较器或复杂算法，即可通过物理结构实现压力的离散化分级（如轻、中、重），并支持阈值的大范围动态调控。

3）多场景应用验证：基于DPI电子皮肤的形状可重构性和多层扩展性，研究团队不仅验证了其在音乐控制、机械臂控制等场景的应用，还开发了区分大小写的打字系统、双因子加密锁，以及结合神经网络的用户身份与亚健康状态识别系统。

图文解析

通过将传统的点状压力单元重构为具有连续交互界面的位置传感层。图1展示了受蚁群启发的堆叠设计：单只蚂蚁（单层）功能有限，但蚁群（多层堆叠）能完成复杂任务。相比于存在盲区和大量信号通道的传统离散阵，DPI电子皮肤通过层级堆叠，实现触觉模态融合，仅需极少的信号通道（1-3个）即可输出包含完整位置和压力等级的3D信号，实现了感测与计算的硬件级集成。

图1. DPI电子皮肤的概念示意及与传感传感结构的对比

DPI电子皮肤采用MWCNT（多壁碳纳米管）/PET作为导电敏感层。当压力超过阈值时，上下导电层接触，形成与触碰位置线性相关的电阻信号。通过调整间隔层厚度，可以独立控制每一层的压力阈值。三层结构的DPI电子皮肤可实现从<10 kPa到>380 kPa的宽范围压力检测，涵盖了从指尖轻触到重力按压的全场景需求 。各功能层之间通过物理隔离确立了层级传导机制，确保了位置与压力信号的内生解耦与互不干扰。实验显示，器件具有极快响应速度（<2 ms），且在10,000次循环测试中保持高度稳定（误差<1%）。

图2. DPI电子皮肤的工作原理与性能表征

为了进一步探究在自适应人机交互中的先进性，基于单层DPI电子皮肤的连续位置感知能力，研究人员构建了音乐播放器控制器和模拟机械臂控制系统。DPI电子皮肤不仅能识别点按操作，还能精准识别滑动动作。在机械臂控制中，通过将连续的电压信号映射为角度指令，实现了对四轴联动机械臂的精准多自由度控制。

图3. 基于单层DPI电子皮肤的音乐播放器与模拟机械臂应用

传统的键盘输入大小写切换繁琐。研究团队利用双层S型DPI电子皮肤构建了打字与翻译系统实现了大小写敏感的情境输入交互新方式，为压力分级模式带来了革新，利用“轻按”触发第一层（输出小写/文本选择）和“重按”同时触发两层（输出大写/确认翻译）的机制，用户无需额外按键即可自然地实现大小写切换。这种符合直觉的交互方式显著提高了输入效率。

图4. 基于双层DPI电子皮肤的翻译与打字系统

在信息安全与健康领域，DPI电子皮肤展示了巨大潜力。通过基于“位置+压力”的双因子密码锁，只有数字和按压力度均匹配才能解锁，实现了。更进一步，结合1D CNN（卷积神经网络），该系统能通过分析触碰信号中的微小“抖动”（Jitter）特征，精准识别用户身份（准确率>96%）并判断用户是否处于亚健康状态（准确率>97%）。亚健康人群因肌肉控制力下降导致的信号波动被系统敏锐捕捉，证明了其在智能医疗方向的应用前景。

图5. 基于三级触觉融合的密码锁与具备健康预测功能的用户识别系统

总结与展望

本研究成功构建了一种集感测与计算于一体的双模态可编程智能电子皮肤。通过垂直层级堆叠架构，DPI电子皮肤在器件内部实现了连续位置感知（<500 µm）和梯度压力识别（>380 kPa）的同步获取，有效解决了传统传感器阵列的数据冗余和感算分离问题。 该器件展现了极强的可重构性，从简单的设备控制，进阶到具备大小写逻辑的符号通信，再到融合了安全加密与健康监测的智能系统。特别是结合机器学习后，其在亚健康状态预警方面的表现，为未来个性化智能医疗与高阶人机交互系统提供了全新的技术路径。

原文信息

Y. Hu, Z. Huang, Y. Luo, S. Yu, Z. Guo, J. Zheng, Y. Zheng, H. Chen, L. Liu, Z. Chen, W. Lin, Y. Lin, X. Liao*, A Dual-Modal Programmable E-Skin with Tunable In-Sensor Touch Computing. Adv. Funct. Mater.2026, 25030875. DOI: 10.1002/adfm.202530875