來源電子：科技日報
近日，記者從太原理工大學獲悉，該校教授張虎林團隊成功開發出一種可解耦多模態感知的自供電水凝膠電子皮膚，為柔性可穿戴裝置、人機互動及智慧醫療領域的發展提供了全新技術方案電子。相關研究成果已發表於國際期刊《自然通訊》。
無需依賴外接電源
當前，人機融合技術正迅猛發展，具備多模態感測與閉環互動能力的可穿戴電子介面，已成為智慧裝置發展的關鍵使能技術電子。而柔性感測器作為這類介面的核心元件，其效能優劣直接決定了具身智慧的發展水平與人機互動的體驗質量，相關技術突破已成為行業關注的焦點。
張虎林介紹，如今智慧手錶等可穿戴監測裝置已進入大眾日常生活，但這類裝置普遍存在明顯侷限電子。大多數裝置只能監測單一生理訊號，且需頻繁充電，難以滿足人們對“全方位、無負擔”智慧穿戴的實際需求。尤其在人機融合核心領域，如智慧假肢適配、機器人精準互動等場景，更迫切需要一種類似人類皮膚的柔性介面，既能同步感知溫度、壓力、生理指標等多類訊號，又無需依賴外接電源，實現便捷、長效的互動與監測。
“傳統多模態感測器大多依賴剛性材料、離散式元件，且必須外接電源才能工作電子。其不僅穿戴舒適度差，還難以適配複雜的人體活動與實際應用場景，嚴重製約了產業化落地。”張虎林進一步補充道，這一行業痛點正是團隊開展此次研究的核心出發點。
針對上述難題，張虎林團隊經過持續攻關，提出了一種單組分聚乙烯醇（PVA）水凝膠電子皮膚解決方案電子。該水凝膠巧妙整合了熱電、壓電離子和擴散三種感測機制，可同步實現對人體皮膚溫度、動脈搏動及汗液分泌的自供電監測，從根本上擺脫了對外部電源的依賴。
“簡單來說，我們實現了‘一塊凝膠，多種感知’的技術突破，其設計靈感源自人類自身的皮膚電子。”論文第一作者、太原理工大學博士生白晨輝解釋道，人類皮膚能透過不同型別的神經末梢，分別精準感知溫度、壓力和外界刺激。團隊便以此為原型，在單一聚乙烯醇（PVA）水凝膠中，整合了三種核心感測功能。一是利用熱伏效應感知皮膚溫度，如同皮膚的“溫度感受器”；二是藉助離子壓電效應捕捉動脈搏動，進而感知皮膚壓力；三是透過擴散效應識別汗液中的電解質變化，宛如皮膚的“生理監測器”。而該技術自供電的特性，徹底解決了傳統裝置需頻繁充電的痛點，讓裝置長期穿戴與持續監測成為可能。
精準解讀各類資料
不過，要將多種感知功能整合在一塊凝膠中，不可避免地會出現“訊號打架”的問題電子。白晨輝解釋，溫度、壓力等不同型別的訊號相互干擾，導致資料無法被精準解讀，這也是多模態感測領域的核心技術難點。
為破解這一困境，團隊針對性地開展了雙重最佳化設計電子。在結構上，他們採用稜柱狀設計，這如同給凝膠裝上了“聚能尖”，使得外部壓力向尖端集中，有效增強訊號響應強度，讓感知更靈敏、更精準。在材料上，團隊透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，即便長時間穿戴也不會產生不適感。
除了結構與材料的最佳化，訊號解讀技術的突破同樣關鍵電子。研究團隊創新應用了一種具有區域性注意力機制的時序機器學習模型。它如同“智慧翻譯官”，能夠精準區分不同型別的感測訊號，實現多模態訊號的無干擾解讀，大幅提升監測資料的可靠性。
“該電子皮膚介面利用長短期記憶網路和卷積神經網路相結合的機器學習演算法進行訊號處理，不僅能對複雜刺激進行高精度分類和識別，還能對手勢做出高可靠性響應，並再現來自機器人手指的觸覺反饋電子。”張虎林介紹，這款自供電水凝膠電子皮膚，為複雜人機系統中的即時多刺激互動提供了一套極具前景的全方位解決方案，尤其在智慧假肢適配、軟體機器人研發、沉浸式虛擬介面搭建等領域，具有廣闊的潛在應用價值，將為相關領域的技術升級注入新動能。
