随着电子皮肤的快速发展，它有望像人体皮肤一样用于各种刺激感知，可以应用于许多潜在的应用。具体而言，在复杂的应用场景中，对电子皮肤的高需求正在显着增加。因此，研究宽响应范围内高灵敏度的多功能电子皮肤对于模仿人体皮肤至关重要。同时，随着人工智能技术的发展，仿生触觉感知正朝着智能化方向发展。尽管目前有研究在人工智能技术和电子皮肤的协同辅助下已经部分实现了智能感知和人机交互，但要使感知和交互系统具有类似于人脑的能力，还有很长的路要走。特别是，随着人机交互系统的发展，交互系统对高性能传感器的期望急剧增加。因此，亟需开发高性能电子皮肤，配合人工智能技术，实现先进的智能人机交互系统。

近日，山东大学李阳教授团队在期刊《Nano Energy》上，发表了最新研究成果“Convolutional Neural Networks-Motivated High-Performance Multi-Functional Electronic Skin for Intelligent Human-Computer Interaction”。研究者通过将掺杂MXene的离子凝胶静电纺丝膜（PIM-E）与微锥结构离子凝胶膜（MS-MIM）结合，制备出具有双电介质层的压容式电子皮肤（PCPS）。与传统电子皮肤相比，所得PCPS在宽检测范围下拥有着极高的灵敏度。同时，将PCPS与泡沫结构摩擦纳米发电机（TENG）结合进一步拓宽了多功能电子皮肤（TPES）的应用范围（图1）。并利用TPES多功能传感实现了多信息感知人机交互系统，展示了TPES 可穿戴电子和人机交互设备中巨大的应用前景。

图1：TPES的制备、微观图像与应用。

如图2a所示，PCPS在1MPa的压力下拥有着最高为616.42 kPa^-1的灵敏度，同时即使在高压下其灵敏度也高达80.43 kPa^-1。同时，PCPS有着5 ms的极限响应时间与0.6 Pa的超低检测限，并且在1 MPa外部压力测试之后对0.6 Pa的细微压力响应并无明显衰减。穿戴时对于手指弯曲的明显响应也使得其可以准确判断佩戴者手势变化。

图2：PCPS的电学性能。

对于TENG而言，在相同外部压力下区分不同材料的能力至关重要。因此，通过使用不同材料作为反摩擦层，研究TENG的响应（50 N外部压力，1.6 Hz）。如图3所示，所提出的TENG对不同材料表现证明了TENG对各种材料的灵敏度。其出色的材料区分能力为材料识别人机交互系统奠定了基础。同时PCPS与TENG共同无干扰的工作也为多信息感知人机交互系统做出了极大贡献。

图3：TENG的电学性能。

此外，充分利用TPES优异的传感性能，将其与数据采集模块、数据处理模块以及人机交互模块结合，实现了多信息感知人机交互系统。同时卷积神经网络使其数据处理时对所触碰物体信号的判断更为准确，实现了在识别所接触物体材质与接触力的同时可以与上位机虚拟人物进行人机交互的目的。揭示了其在人机交互领域的巨大实用潜力。

图4 多信息识别人机交互系统。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109313

人物简介：

李阳，教授，博士生导师，IEEE高级会员，科技部中韩青年科学家、山东省泰山学者青年专家、山东省高校集成电路创新团队带头人、山东省优秀青年基金获得者、山东省青年科技人才托举工程入选者、齐鲁青年学者、山东省高层次人才，集成芯片与系统全国重点实验室高级访问学者，主持国家自然科学基金项目(3项)、科技部项目、山东省重大基础研究项目、山东省优秀青年基金项目、山东省重点研发计划项目等省部级以上重点项目15项。已累计发表SCI检索论文100余篇，其中以第一作者/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Matter、Adv. Mater. 、Adv. Funct. Mater. 、Adv. Sci.、IEEE Trans. Electron. Dev.等领域内顶尖期刊上发表中科院一区文章60余篇，包含封面文章10篇，授权国家发明专利15项，韩国发明专利11项。担任10余个期刊特约编辑、编委。