AI+全打印電子皮膚，實現靈巧手多功能感知

電子皮膚（E-skin）是實現靈巧手觸覺感知的關鍵技術，架起了人機交互與智能響應之間的橋梁，其多功能感知、決策與交互控制的高集成能力，是實現靈巧手類人操作的核心前提。然而，現有電子皮膚普遍存在功能單一、制造工藝復雜、規模化生產難等技術瓶頸，難以滿足醫療手術、工業操控等領域對高精度、自適應交互的嚴苛需求。

針對上述挑戰，國內外研究者積極探索相關傳感機制與制造技術的融合創新。一方面，摩擦納米發電機因其自供能、高靈敏度和豐富信號等特征，被廣泛用于構建多功能觸覺傳感器；另一方面，3D 打印技術憑借其低成本、可定制化和大面積兼容性，成為實現電子皮膚規模化制造的重要途徑。盡管現階段已有部分工作嘗試將機器學習引入觸覺感知系統，解碼復雜信號并提升電子皮膚的識別精度。然而，如何將高性能傳感材料、可擴展制造工藝與先進人工智能算法深度融合，構建集“感知-認知-控制”于一體的電子皮膚系統，仍是亟待突破的難題。

在此背景下，深圳大學龔峰教授、李輝副教授聯合中山大學蔣樂倫教授等團隊，創新性提出界面限域同軸打印技術（ICCP），成功開發出AI賦能全打印可拉伸摩擦電電子皮膚（TE-Skin）。該研究通過“全區域集成 + 多功能協同 + 規模化制造”的一體化設計制造，實現電子皮膚在靈巧手指尖、手掌、手背適配，兼具觸覺成像、材質鑒別、用戶認證與手勢控制等多重功能。相關成果“An AI-Powered, All-Printed, Scalable, Stretchable Triboelectric E-Skin for Multifunctional Perception in Dexterous Hand”為題發表在《Advanced Functional Materials》。

文章要點

1. 一體化設計理念：突破功能集成與適配性限制

研究創新性提出界面限域同軸打印技術（ICCP），結構上以190μm、11.25dpi實現超薄高密度傳感陣列的制造，可實現雙重性能突破。一方面，全區域適配性能，使傳感器可無縫貼合在靈巧手的指尖、手掌、手背等部位；另一方面作為多模態傳感單元，傳感陣列支持同步軌跡識別、壓力映射等多元感知。這種 “全區域覆蓋 - 多功能集成” 的設計理念，成功解決了傳統電子皮膚傳感單一、適配性差的行業痛點（圖1）。

圖1. TE-skin設計概念圖。

2.創新制造工藝：界面壓縮輔助同軸打印技術（ICCP）

研究為實現電子皮膚的規模化、低成本制造，通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch?S140，精度：10μm）打印的定制化同軸打印噴頭與ICCP技術，將傳統同軸打印的圓形纖維轉化為超薄帶狀結構，厚度僅約為一元硬幣的 1/6。此外，該技術可在1小時內快速制備出 220mm×220mm 的大面積電子皮膚，解決規模化生產難題；同時傳感陣列也能保持超強的機械穩定性，在承受拉伸、彎曲、扭轉等形變后，依舊高性能輸出，為電子皮膚的工程化應用奠定核心基礎（圖2）。

圖2. ICCP制造工藝及打印參數影響圖。

3. 多功能感知能力：AI 驅動的高精度交互

TE-Skin 依托深度學習算法對摩擦電信號的精準解碼，實現在靈巧手上的四大核心功能突破：

（1）用戶認證：通過識別手指按壓的頻率、力度、時長等特征，結合 ConvNeXt 神經網絡模型，用戶識別準確率超 95%，為靈巧手提供個性化安全管控；

（2）材料識別：指尖集成的傳感單元可捕捉不同材料的摩擦電信號特征，對織物、玻璃、塑料等 10 類常見材料的識別準確率達 95% 以上；

（3）形狀與壓力感知：手掌區域的高分辨率傳感陣列可實時生成觸覺壓力分布圖，精準還原不同形狀物體的輪廓特征；

（4）靈巧手運動控制：手背區域的功能分區設計可實現手指角度調節、抓取姿態控制等指令，支持網球、紙盒等不同物體的自適應抓取與搬運。

綜上，“安全認證-精準感知”的多維交互模式與“全流程閉環-復雜任務適配”的應用能力，共同推動柔性電子皮膚從實驗室走向實際工程應用（圖3）。

圖3. TE - skin在靈巧手中功能驗證。

全文總結

本研究創新性提出一種基于界面限域的同軸打印技術，成功制備出兼具規模化制造與多功能感知的摩擦電電子皮膚，為開發先進多功能傳感系統提供了極具吸引力的解決方案，使靈巧手能夠同時獲取人體和環境的觸覺信息。同時， AI 與摩擦電傳感器的深度融合，大幅提升了人機交互的精準度與安全性，為機器人領域的電子皮膚設計提供了極具前景的框架，為下一代精細操作和高精度人機交互場景提供技術支持。

深圳大學龔峰教授、李輝副教授及中山大學蔣樂倫教授為該論文共同通訊作者，深圳大學碩士研究生陳趙丫為第一作者，寧波大學金育安教授、中山大學劉彬副教授、深圳大學徐斌副教授、王蓓、李展達等為共同作者。該論文獲得國家自然科學基金、深圳市科技計劃項目等資助。

https://doi.org/10.1002/adfm.202527673

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