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3月23日，記者從太原理工大學(xué)獲悉，該校張虎林教授團(tuán)隊(duì)近期成功開發(fā)出一種可解耦多模態(tài)感知的自供電水凝膠電子皮膚，為柔性可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互及智能醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供了全新技術(shù)方案，相關(guān)研究成果已正式發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》。

當(dāng)前，人機(jī)融合技術(shù)正迅猛發(fā)展，具備多模態(tài)傳感與閉環(huán)交互能力的可穿戴電子接口，已成為智能設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵使能技術(shù)。而柔性傳感器作為這類接口的核心組件，其性能優(yōu)劣直接決定了具身智能的發(fā)展水平與人機(jī)交互的體驗(yàn)質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)突破已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

張虎林介紹，如今智能手表等可穿戴監(jiān)測設(shè)備已走進(jìn)大眾日常生活，但這類設(shè)備普遍存在明顯局限。大多只能監(jiān)測單一生理信號(hào)，且需頻繁充電，難以滿足人們對(duì)“全方位、無負(fù)擔(dān)”智能穿戴的實(shí)際需求。尤其在人機(jī)融合核心領(lǐng)域，比如智能假肢適配、機(jī)器人精準(zhǔn)交互等場景，更迫切需要一種類似人類皮膚的“柔性接口”，既能同步感知溫度、壓力、生理指標(biāo)等多類信號(hào)，又無需依賴外接電源，實(shí)現(xiàn)便捷、長效的交互與監(jiān)測。

“傳統(tǒng)多模態(tài)傳感器大多依賴剛性材料、離散式組件，且必須外接電源才能工作，不僅穿戴舒適度差，還難以適配復(fù)雜的人體活動(dòng)與實(shí)際應(yīng)用場景，嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)化落地?！睆埢⒘诌M(jìn)一步補(bǔ)充道，這一行業(yè)痛點(diǎn)正是團(tuán)隊(duì)開展此次研究的核心出發(fā)點(diǎn)。

針對(duì)上述難題，張虎林教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過持續(xù)攻關(guān)，提出了一種單組分聚乙烯醇（PVA）水凝膠電子皮膚解決方案。該水凝膠巧妙整合了熱電、壓電離子和擴(kuò)散三種傳感機(jī)制，可同步實(shí)現(xiàn)對(duì)人體皮膚溫度、動(dòng)脈搏動(dòng)及汗液分泌的自供電監(jiān)測，從根本上擺脫了對(duì)外部電源的依賴。同時(shí)，這款水凝膠具備高拉伸性與低模量的優(yōu)異特性，其獨(dú)特的棱柱狀結(jié)構(gòu)，還能有效協(xié)同增強(qiáng)離子極化效應(yīng)，進(jìn)一步提升傳感靈敏度。

“簡單來說，我們實(shí)現(xiàn)了‘一塊凝膠，多種感知’的技術(shù)突破，其設(shè)計(jì)靈感源自人類自身的皮膚?！闭撐牡谝蛔髡摺⑻砉ご髮W(xué)博士生白晨輝解釋道，人類皮膚能通過不同類型的神經(jīng)末梢，分別精準(zhǔn)感知溫度、壓力和外界刺激，團(tuán)隊(duì)便以此為原型，在單一聚乙烯醇（PVA）水凝膠中，集成了三種核心傳感“本領(lǐng)”。一是利用熱伏效應(yīng)感知皮膚溫度，如同皮膚的“溫度感受器”；二是借助離子壓電效應(yīng)捕捉動(dòng)脈搏動(dòng)，堪比皮膚的“壓力感知點(diǎn)”；三是通過擴(kuò)散效應(yīng)識(shí)別汗液中的電解質(zhì)變化，宛如皮膚的“生理監(jiān)測器”。而自供電特性的實(shí)現(xiàn)，徹底解決了傳統(tǒng)設(shè)備頻繁充電的痛點(diǎn)，讓長期穿戴與持續(xù)監(jiān)測成為可能。

不過，將多種感知功能集成在一塊凝膠中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)“信號(hào)打架”的問題。白晨輝解釋，溫度、壓力等不同類型的信號(hào)相互干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法精準(zhǔn)解讀，這也是多模態(tài)傳感領(lǐng)域的核心技術(shù)難點(diǎn)。

為破解這一困境，團(tuán)隊(duì)針對(duì)性地開展了雙重優(yōu)化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)上，采用棱柱狀設(shè)計(jì)，如同給凝膠加裝了“聚能尖”，能讓外部壓力向尖端集中，有效增強(qiáng)信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度，讓感知更靈敏、更精準(zhǔn)；在材料上，通過特殊的溶劑替代工藝，讓水凝膠兼具柔軟度與韌性，拉伸幅度可超過自身8倍，觸感貼合人體皮膚，即便長時(shí)間穿戴也不會(huì)產(chǎn)生不適感。

除了結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化，信號(hào)解讀技術(shù)的突破同樣關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新應(yīng)用了一種具有局部注意力機(jī)制的時(shí)序機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型如同“智能翻譯官”，能夠精準(zhǔn)區(qū)分不同類型的傳感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信號(hào)的無干擾解讀，大幅提升了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

“該電子皮膚接口利用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行信號(hào)處理，不僅能對(duì)復(fù)雜刺激進(jìn)行高精度分類和識(shí)別，還能對(duì)手勢做出高可靠性響應(yīng)，并再現(xiàn)來自機(jī)器人手指的觸覺反饋?！睆埢⒘直硎荆@款自供電水凝膠電子皮膚，為復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)多刺激交互提供了一套極具前景的全方位解決方案，尤其在智能假肢適配、軟體機(jī)器人研發(fā)、沉浸式虛擬界面搭建等領(lǐng)域，具有廣闊的潛在應(yīng)用價(jià)值，將為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)注入新動(dòng)能。