北京大学开发出一种集滑动探测、压力探测和能量存储于一体的多功能电子皮肤系统

电子皮肤作为一种模仿人类皮肤特性、具有传感多种功能的新型电子器件，在便携式电子设备、医疗健康以及机器人领域等具有广阔的应用前景，近年来受到国内外学术界和工业界的广泛关注。然而，当前电子皮肤往往专注于探测单一物理量，而人类皮肤却能感受多种物理量，实现多种物理量同时探测成为电子皮肤研究的重要方向；同时，如何对电子皮肤进行有效的能量供给，也是该领域研究急需解决的关键问题。

近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组通过研究模仿皮肤的生理结构，开发出一种集滑动探测、压力探测和能量存储于一体的多功能电子皮肤系统，成功解决了多功能集成和能量供给等问题。相关研究成果以“Hybrid porous micro structured finger skin inspired self-powered electronic skin system for pressure sensing and sliding detection”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生陈号天为论文第一作者，张海霞教授为通讯作者。

该电子皮肤系统以人类指尖的生理结构为启发，模仿指纹结构，设计基于四电极螺旋电极的摩擦纳米发电机，通过探测摩擦纳米发电机的输出频率，进行滑动方向及距离的探测。这种基于摩擦输出频率的探测方法相比于基于幅值的探测方法，可以有效地避免外部环境比如温度、湿度等因素的印象，提高传感器的稳定性；通过模仿人体皮肤的真皮结构，创新地将微结构（微金字塔、微圆锥等）与多孔结构结合，制备得到导电的多孔复合微结构，大幅提升了压阻传感器的灵敏度（高达35.7 kPa-1）；最后，利用织物制备柔性抗压的超级电容器，为整个电子皮肤系统提供能量。通过将滑动传感与压力传感耦合，该电子皮肤系统可以有效地探测复杂的行为活动，提供反馈多个维度的信号；同时，整个电子皮肤系统由超级电容器供能，无需外部供电，极大地增强了该电子皮肤系统的便捷性和可用性，展示了其在机器人传感等领域的巨大潜力。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金等资助。