第一作者：于世凡

通讯作者：张跃、廖新勤、陈忠

通讯单位：北京科技大学、厦门大学

论文DOI：10.1002/adfm.202416984

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该论文着重展示了张跃院士、廖新勤和陈忠等人引入“材料基因表达”策略来指导人工智能皮肤的可逆重构和定制化功能重组。研究通过调整材料特性，展示了智能机器触觉交互中的潜在应用。本文介绍了可重构机器人皮肤的设计和性能，特别是在触觉定位、压力感知等方面的应用，提升了系统的灵活性与可持续性。

背景介绍

在人与机器的互动中，机器人皮肤通过触觉感知环境信息，提供了直观且自然的互动方式。为了实现智能化的交互体验，机器人皮肤需要具备多种触觉感知模式，例如位置、压力和剪切力。与天然皮肤中的多层分布的机械感受器类似，机器人皮肤应能够感知不同类型和强度的触觉刺激。然而，现有的人工皮肤设计大多采用不可调节的软性或硬性材料，通常依赖离散传感器阵列来感知位置和压力。这种设计增加了信号处理的复杂性。此外，虽然多功能的单体设备能够集成多种传感功能，但往往因单一设备配置的局限性而在性能上有所折衷。从生物学的角度看，组织的功能由基因和环境共同决定，类比于此，材料的性能来源于其原始组成和结构。因此，通过“基因表达”调控材料性能成为了新的解决思路。通过模拟这一原理，人工智能系统可以灵活重构组成部分，就像搭建乐高积木一样，从而赋予机器人皮肤多样的感知特性（图1）。然而，现有的人工模型通常仅依赖宏观物理操控（如形态变形、拓扑变化、结构调节等）来实现功能的有限调节，无法达到生物组织广泛的性能变化范围。此外，材料性能的调节在可逆性和模块化上也面临挑战。因此，当前领域的主要问题在于如何开发具有可调特性的系统，以实现传感能力的定制化。这需要借助可调节的材料，扩展传感单元的功能范围，进而解决现有设计中功能局限与性能折衷的问题。

图1可变机器人皮肤的设计概念图

研究出发点

本研究提出了一种基于材料基因表达调控的可变机器人皮肤设计，通过模拟生物系统中的基因表达原理，实现了材料功能的动态调节。研究开发了高度可逆的交联-渗透复合网络，将羧基化纤维素纳米纤维（CCNF）渗透网络引入到聚乙烯醇（PVA）交联网络中，显著缩短了水凝胶的溶解时间（低于55°C时溶解时间小于3分钟），并提升了其机械强度（拉伸强度达6.7 MPa）。通过调控固化条件，材料的性能可以在较大范围内调节，以满足不同传感功能的需求。该材料展现了三种仿生特性：可恢复性、可继承性和可分化性，类似于生物体内的基因表达调控（图2）。

图2快速溶解和高强度的交联渗透复合水凝胶

研究者展示了热诱导聚合水凝胶用作触摸定位层（TP层）的设计机制与性能测试。热诱导聚合水凝胶的高强度、高稳定性和低电信号漂移特性适用于机器人皮肤的触摸定位层。研究者采用四电极结构，结合位置矫正算法，实现了大面积、全区域的高精度触摸定位。基于超快响应（<10ms）和超低误差（均方误差低于3%）的触摸定位板展示了高精度触摸定位、普适性手写识别等功能。在回收复用制造后，传感信号以及识别功能仍然保持（图3）。

图3触觉定位层的设计与性能测试

研究者展示了冷冻诱导聚合水凝胶用作压力传感层（PS层）的设计机制与其对不同压力的响应性能。冷冻诱导聚合水凝胶的高离子导电率提升压力感知信号、柔软特性更能赋予PS层更贴近皮肤组织的体验。研究团队采用冻融交联的水凝胶层，结合半球形微结构设计，大幅提升了压力感应的灵敏度。PS层不仅能够感知静态压力，还可以通过分析触觉动作的频率和强度信号，区分不同的触觉模式，如拍、打击、挠等，这在触觉互动中的应用潜力巨大（图4）。

图4压力感应层的结构和性能测试

此外，该可变机器人皮肤不仅对单一触觉模式高度敏感，还能感知多维度的触觉信息（位置、力度、持续时间、运动模式），在仅使用五个数据通道的情况下实现高效的触觉运动分类，从而为基于皮肤触觉的高效人机交互提供了新的解决方案（图5）。

图5触觉互动系统的应用场景

总结与展望

本研究展示了一种具有高度灵活性和可扩展性的机器人皮肤系统，其独特的材料基因表达调控方法为未来智能系统的设计提供了全新的方向。这种可调节的机器人皮肤通过快速调控材料特性，实现了在传感精度、响应速度和多维触觉感知上的突破，特别在坐标定位、手写识别和触觉模式分类等方面表现出色。此外，材料的可恢复性和多功能性使得该系统在传感单元之间的无干扰操作成为可能，大幅提升了交互的准确性。未来的研究可以通过将先进的机器学习算法与材料设计相结合，进一步实现系统的自主调节，优化其在复杂场景中的应用。特别是在快速材料重构、多点触觉感知等领域，这一技术还有很大的发展空间。总体而言，该研究为多功能智能系统的设计和应用提供了新的视角，尤其在仿生义肢、复杂人机交互和多模态控制系统中展现出巨大的潜力。

课题组介绍

张跃，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、国家重大科学研究计划和重点研发计划项目首席科学家。现任新金属材料国家重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长。教育部科技委国防学部常务副主任和材料学部副主任；中国体视学学会理事长、中国金属学会常务理事；National Science Open创刊主编、Fundamental Research副主编、Nanoscale和Nanoscale Advances主编。

廖新勤，师从北京科技大学张跃院士，是厦门大学电子科学系副教授，博士生导师，福建省高层次境外引进人才、厦门市高层次留学人员、厦门大学南强青年拔尖人才、IEEE/中国微米纳米技术学会/中国材料研究学会/中国机械工程学会/中国仪器仪表学会高级会员。一直围绕柔性传感器与智能人机交互开展研究，致力于将新型功能材料、敏感元件及器件设计与国家战略性新兴智能产业需求相结合，研制出多种新型高性能传感器，促进柔性传感器从单功能到多功能集成化发展，发表相关研究成果的SCI论文50余篇，获授权发明专利7项。担任Nano-Micro Letters、Soft Science期刊青年编委，是70余个期刊审稿人。

陈忠，教授，博士生导师，厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）院长，国务院政府特殊津贴专家，闽江学者特聘教授，享受国务院政府特殊津贴专家，从事生物医学电子学和半导体光电研究。中国物理学会理事，中国波谱学专业委员会副主任委员；厦门大学国家集成电路产教融合创新平台执行主任，福建省等离子和磁共振研究重点实验室主任、福建省半导体照明工程技术研究中心主任、福建省半导体照明与显示行业开发基地主任；已主持国家863计划、重点研发计划、科技支撑计划、自然科学基金重点和科学仪器课题等30多项；发表500余篇SCI收录学术论文；现任Journal of Magnetic Resonance,Journal of Chemical Physics, Magnetic Resonance in Chemistry等多个刊物编委，Magnetic Resonance Letters和《波谱学杂志》副主编。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416984