Science：单片集成的柔性电子皮肤

摘要

摘要图
本研究提出了一种基于单片集成的柔性电子皮肤(e-skin)系统，可实现多模态感知、神经形态脉冲信号生成及闭环动作控制。通过设计高介电常数三层介电材料，实现了低电压、低功耗和中等规模电路集成的拉伸性有机电子设备。本系统模仿生物的感应运动回路，在应力刺激下产生更强的动作响应，具备生物相容性和高效能，为新一代神经假肢与人机接口提供了可能。

关键词

  • 人工皮肤 (Artificial Skin)
  • 神经形态回路 (Neuromorphic Circuit)
  • 电子皮肤 (E-skin)
  • 低电压驱动 (Low Voltage Operation)
  • 可拉伸有机电子 (Stretchable Organic Electronics)
  • 生物集成 (Biointegration)
  • 多模态感知 (Multimodal Perception)

研究背景

皮肤作为人与环境的主要界面，结合了感知反馈与机械柔性的特性，使人体能够灵活应对各种动态环境。然而，对于皮肤损伤或截肢的患者，传统假肢在感知和运动控制方面仍存在局限性，难以还原自然的感应运动回路。随着柔性电子学的快速发展，研究者在模仿生物传感功能及神经信号处理方面取得了显著进展，但仍需克服材料稳定性、低操作电压和高效电路集成的挑战。本研究通过创新性材料和器件设计，开发了一种集成生物感知和神经形态反馈功能的柔性电子皮肤系统，解决现有技术的不足。

创新点

  • 提出高介电常数三层介电结构，用于拉伸性有机电子器件，显著降低驱动电压。
  • 集成多模态感知和神经形态信号生成，实现仿生感应运动回路。
  • 首次在单片柔性平台上完成低功耗中规模电路集成。
  • 具备优越的生物组织适应性和环境稳定性。

研究内容

本研究构建了以高介电常数三层介电材料为核心的拉伸性有机晶体管，通过介电层表面能调控，优化半导体层的载流子迁移率和界面陷阱密度，成功实现低电压驱动和高性能传感电路。实验设计了基于环形振荡器(RO)和边缘检测器(ED)的神经形态信号处理模块，用于将外部压力与温度刺激转化为脉冲信号。通过开发固态离子电介质的人工突触晶体管，本系统模拟生物神经元在不同刺激下的动作反应强度。最终，研究在活体大鼠模型中测试了该系统，验证了其在模拟自然感应运动回路中的有效性。

图1
图1 | 低电压驱动人工软性电子皮肤系统用于仿生双向信号传输。

(a) 左图展示了生物皮肤中机械柔软性和感觉反馈的组合，标注了皮肤内的不同感受器位置（如游离神经末梢、Merkel细胞、Meissner小体等）。右图为仿生电子皮肤的人工传感运动回路示意图，人工感受器可对外界温度和压力刺激作出响应，低电压驱动电路将感应信号编码为脉冲列用于感应过程。 (b) 展示了人工传感运动回路的总体流程及电子皮肤组件。 (c) 展示了集成温度传感器、压力传感器及两组环形振荡器（RO）和边缘检测器（ED）电路的电子皮肤贴片的生物适应性照片。 (d) 展示了单片集成的柔性电子皮肤电路。

图2
图2 | 高介电常数三层电介质用于高性能、低电压柔性有机场效应晶体管和电路。

(a) (i) 显示了三层电介质的器件结构和材料示意图。(ii) 光学显微镜图展示了器件阵列，器件密度达到每平方厘米330个晶体管。(iii) 转移特性曲线显示了操作电压为 3 V 时最高迁移率达 2.01 cm\(^2\)/V·s 的表现。 (b) 单层 NBR 与三层介电材料在不同频率下的介电常数与相位角对比。 (c) 三种介电层的迁移率与水接触角测试结果。 (d) 不同介电层的电荷传输活化能 \( E_A \) 比较。 (e) 介电强度和击穿电压比较。 (f) 比较已有柔性晶体管在操作电压与迁移率性能。

图3
图3 | 低电压驱动柔性电路系统生成仿生脉冲列。

(a) 自然感知过程的示意图。 (b) 展示了柔性七级 RO-ED 电路的光学显微图。 (c) 用于感觉信息编码的仿生感应器电路图。 (d) 附着在手指上的柔性电子皮肤照片。 (e) 感应逆变器电路图及工作机制。 (f) 不同负载电阻值对环形振荡器频率的调制结果。 (g) 边缘检测器的输入和输出信号，以及不同频率下的平均脉冲宽度与振幅。 (h) 压力传感器和温度传感器在不同刺激下的阻值变化。 (i) 压力感应-RO-ED 系统在按压释放周期中的脉冲列输出。 (j) 该系统在不同压力下的输出频率。 (k) 将已有柔性电路的集成规模与 RO-ED 电路进行比较。

图4
图4 | 全固态软性人工突触用于驱动下游身体运动。

(a) 生物突触的工作机制比较。 (b) 人工突触材料与生物突触结构的对比。 (c) 生物突触传递更高频率的动作电位信号时会产生更大的肌肉输出力。 (d) 人工突触晶体管在不同频率脉冲列信号下的突触后电流幅度变化。 (e) 人工突触阵列的转移曲线及突触后电流分布。 (f) 不同电介质在水中的稳定性比较。 (g) 在水和 37°C 磷酸盐缓冲液中浸泡 8 小时后的稳定性测试结果。

图5
图5 | 低电压驱动柔性电子皮肤系统实现人工感应-运动回路。

(a) 人工传感运动系统结构示意图，压力传感器-RO-ED 系统将压力转化为脉冲列信号以刺激感觉皮层并在运动皮层引发响应。 (b) 压力传感器在不同压力下的脉冲列输出频率。 (c) 突触晶体管在不同栅极信号频率下的电流输出。 (d, e) 运动皮层记录的信号，分别对应不同压力刺激的传感器输入。 (f) 动物模型在不同频率刺激下的腿部抽动照片。 (g) 腿部抽动角度与施加压力的相关性。

结论与展望

本研究成功开发了一种低电压、柔性、单片集成的电子皮肤系统，实现了仿生感应运动回路功能。这一技术突破不仅为下一代神经假肢和人机交互设备提供了平台，也为柔性电子器件的生物医学应用铺平了道路。

论文直达

原文标题：Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin

原文卷期号：Science 2023, 380, 735–742

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