众所周知，电子皮肤不仅仅可以应用于机器人领域，赋予机器人接近人类的触觉感知和温度感知。同时也可以广泛应用于其他领域，如可穿戴设备，实现对人体健康的监测；假肢制造，实现假肢人同真正肢体一样对周围环境感知；皮肤移植，解决现阶段皮肤移植过程中产生的触觉能力下降等问题。因此电子皮肤的发展不仅仅会促进机器人技术的发展，也会为人类的生活带来巨大的革新。
图1 电子皮肤概念图
早在2003年，东京大学学者利用并五苯分子开发出了可以感应压应力的电子皮肤，发展至今，已经可以实现如同人类皮肤一样感知应力和温度的变化。但是这一类电子皮肤需要通过微纳加工集成上不同的传感器，因此结构十分复杂。近期，斯坦福大学鲍哲南团队和浦项科技大学Unyong Jeong创新性地利用离子弛豫动力学原理，以简单的双电极电容的结构，制作出可以实现对温度和应力同时响应的柔性传感器。将这种传感器做成10*10的阵列，即可实现像人类皮肤一样具有温感和触感的电子皮肤。这种电子皮肤以最简单结构，实现了复杂的功能，在该领域具有里程碑的意义。该工作以题为“Artificial Multimodal Receptors Based on Ion Relaxation Dynamics”的文章发表在《Science》上。
电容器结构感知应力场和温度场的变化
在具有固态电解质的非法拉第电容器中，电容器的内阻和电容量取决于固体电解质的离子迁移率、介电常数和电容器的几何结构因素。其中，电容器的交流阻抗谱中，电荷弛豫频率只与电解质的导离子率和介电常数有关，而这两个因素与温度有关，因此可以利用电荷弛豫频率（τ-1）来反应温度的变化。电容器的电容量同时与温度和电容器的几何因素有关，但是与电容器容量与初始容量的比值（C/C0），可以抵消温度的影响，因此电容量与初始容量的比值可以用来反映应力的变化。
图2 传感器原理
鲍哲南团队选用1-乙基-3-甲基咪唑鎓双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺为电解质，两电极采用由纳米银线和SEBS制作的柔性导电材料。为了实现对温度的敏感性，材料的选用原则为电离度低，高电阻，但是在100 Hz至106 Hz之间可以测出来电阻和电容。通过实验检验，利用他们选用的材料制作出的传感器的电荷弛豫频率和C/C0两个参数分别对温度和应力有很强的相关性，并且互不干扰。通过与真实温度测量对比，发现他们团队制作的传感器对温度测量的误差不超过2.6℃。
图3 传感器性能
阵列结构实现人类皮肤的功能
通过将上述电容结构的传感器做成10*10 的阵列，即可实现对外界温度场和应力场变化的感知。鲍哲南团队通过对制作出的电子皮肤做出摁压、挤压、扭转等动作，实现在电脑上显现出温度场和应力场的变化，成功做到了电子皮肤像人类皮肤一样的功能，为电子皮肤的研发提供了新的思路。
图4 电子皮肤测试
总结：随着电子皮肤技术的发展，对电子皮肤的功能提出了更高的要求，往往需要集成大量的传感器。鲍哲南团队通过将材料的性能和外界刺激因素联系起来，制作出了一种兼顾应力感知和温度感知的传感器，集成该传感器的电子皮肤可以轻松感知应力场和温度场的变化。这种传感器的设计思路也为传感器设计提供了新的方向，具有开创性的意义。
审核、编辑：大可
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