鲍哲南院士，今日Science！

众所周知，具有同时模仿天然皮肤的感官反馈和机械特性的人造皮肤为下一代机器人和医疗设备带来了巨大的希望，但如何实现这样一个可以与人体无缝融合的仿生系统仍然是一个挑战。

在此，美国斯坦福大学鲍哲南院士及其合作者通过对材料特性、器件结构和系统架构的合理设计和工程，实现了单片软假体电子皮肤（e-skin），其能够进行多模态感知、神经形态脉冲序列信号生成和闭环致动。

具体来说，使用三层、高介电常数弹性电介质，实现了与多晶硅晶体管相当的低亚阈值摆幅、低工作电压、低功耗和可拉伸有机器件的中等规模电路集成复杂性。

其中，本文设计的电子皮肤模仿生物感觉运动环，当施加增加压力的刺激时，固态突触晶体管会引发更强的驱动。

相关文章以“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”为题发表在Science。

研究背景

皮肤作为人体与周围世界之间的主要界面和保护层起着至关重要的作用。感官能力和皮肤机械柔软度的结合不仅使我们能够毫不费力地感知和对各种外部刺激的反应，而且还使我们能够在动态和非结构化环境中执行复杂的任务（图1A）。

不幸的是，患有皮肤损伤或截肢的患者可能严重扰乱了感知-行动回路，导致他们即使在物体抓取等简单任务中也难以挣扎。虽然假肢可以部分恢复运动功能，但其局限性（如幻肢疼痛、不受控制的运动和灵活性差）需要通过结合感觉反馈和组织顺应性来解决。

为了实现自然的人机界面，已经使用（例如多模态感觉，神经形态信号处理，闭环感知和驱动）具有类似皮肤特性（例如柔软和可变形）的电子系统。

实际上，已经开发了复杂的硅（Si）电路来模仿周围神经系统，并在假肢和机器人中体现类似皮肤的感知能力。然而，构建一个单片集成的软电子皮肤（e-skin），将所有所需的电气和机械功能结合在一个设备平台中仍然是一个挑战。

尽管柔性电子和电路制造取得了进步，但它们在电子皮肤中的应用仅限于用于减少互连布线或作为传感器信号放大的有源矩阵阵列。

随着软电子设备制造的最新发展，已经证明了将刚性和软组件连接到混合电子皮肤系统的可行性。为了满足具有生物整合独特优势的软电子皮肤系统的严格要求，需要克服现有软电子器件的几个基本挑战。

1）在材料层面，需要具有类似组织的机械性能和在生理环境中的优异稳定性；

2）在器件层面，需要使用具有出色电子特性的低工作电压（例如高电荷载流子迁移率和低亚阈值摆幅）进行安全高效的机体操作；

3）在系统层面，需要具有足够晶体管数量、逻辑深度和功能复杂性的信号调理电路；

4）在应用层面，柔软的电子皮肤需要感官信息的仿生编码和设备生物界面的神经形态驱动，以实现自然感觉和低功耗。

图1. 低压驱动人工软电子皮系统实现仿生双向信号传输

图文详解

低压驱动、高性能、可拉伸的有机晶体管

现有的可拉伸有机电子设备仍然需要高工作电压（30~100 V），从而产生安全和功耗问题。降低驱动电压需要增加栅极电容，需要具有高介电常数的薄介电层（图2Ai），但高κ值和高陷阱密度之间的权衡使得在可拉伸有机器件中实现低驱动电压和高载流子迁移率具有挑战性。

为了克服这一挑战，本文开发了一种三层电介质，利用超薄的非极性聚（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）（SEBS）弹性体涂层（~15 nm）钝化高κ丁腈橡胶，然后进行疏水性十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）分子修饰（图2A）。

这种具有合适表面能的介电堆栈在可拉伸半导体层中诱导出理想的纳米受限形貌，从而实现高电荷载流子迁移率（图2C）。因此，与单层丁腈橡胶介电器件相比，在三层设计中，载流子迁移率提高了约50倍，同时保持了低驱动电压（图2C）。

为了量化界面陷阱密度，本文测量了各种介电设计的电荷输运（Ea）的活化能，NBR-SEBS-OTS与直接自旋铸半导体的组合显示出最低的Ea，其介电-半导体界面和最佳的半导体形貌（图2D）。

同时，本文的三层设计提供的另一个好处是在直接和交流电压偏置下显著增强了介电强度，从而允许使用更薄的介电层来进一步增加栅极电容。SEBS和OTS层沉积后，观察到击穿电压稳定增加，表明针孔减少（图2E）。

与之前报道的其他弹性电介质相比，本文的三层设计能够同时实现低工作电压和高载流子迁移率（图2F）。此外，本文实现了可拉伸晶体管的亚阈值摆幅（~85 mV），与刚性多晶硅（poly-Si）晶体管相当（图2G）。

图2. 用于高性能和低压可拉伸有机晶体管和电路的高k、三层介质

用于神经脉冲序列生成的信号调理电路系统

通过结合单个晶体管的最佳特性，进一步集成晶体管，以制造用于直接皮肤操作的低压功能电路，模仿生物皮肤受体的感觉功能。在自然感知过程中，体感受体将刺激输入幅度（接收阶段）转换为具有恒定幅度（编码阶段）的频率调制脉冲序列，以实现高效和高保真信号传输（图3A）。

为了概括这一过程，本文开发了一种电路系统，该系统带有收集外部刺激的传感器、用于传感器信号频率调制的环形振荡器（RO）和用于生成类似脉冲序列信号的动作电位的边缘检测器（ED）（图3B~D）。

图3. 产生仿生脉冲序列的低压驱动软电路系统

全固态人工突触触发下游驱动

自然感觉反馈回路的一个特征是感知和。为了完成感觉运动回路，除了用于感觉的柔软电子皮肤系统外，还解决了将频率编码的传感器信息传递给中枢神经系统并根据输入刺激驱动下游肌肉反应的需求。为此，基于离子门控的突触晶体管特别有前途，它们具有类似于生物突触的工作机制（图4B和D）。

本文通过混合先前设计的具有高离子电导率的离子导电弹性体（ICE）和单离子导电聚电解质（PiTFSI），如以前的报告所述，聚电解质可以稳定地固定在弹性体基质中。

此外，使用叠氮化物交联剂，对这种离子电介质进行了图案化，并制造了具有良好均匀性的全固态可拉伸突触晶体管阵列（图4E）。

图4. 用于驱动突触晶体管下游分布（插入）阵列的全固态软人工突触

软电子皮肤演示感觉运动回路

随着电子皮肤系统中的所有基本组件再现生物感知-驱动回路，在大鼠模型中测试其有效性（图5A~C）。简而言之，作者首先将柔软的电子皮肤连接到大鼠躯体感觉皮层以模拟皮肤感觉，这有望触发运动皮层的反馈反应。然后诱发的运动信号通过人工突触刺激坐骨神经进行下游肌肉驱动，从而完成人工感觉运动环。

实验中，当传感器受到不同幅度的力时，观察到躯体感觉皮层的数字化输入可以成功地在运动皮层引起反应，经过进一步放大和信号处理，将记录的诱发信号作为突触晶体管的栅极输入，发现突触后电流的幅度随施加的压力而缩放。

与自然感觉反馈过程类似，该过程会引发对更强力刺激的更强烈反应，这证明了人工电子皮肤用于神经修复的潜在可行性。

图5. 低压驱动的软电子皮肤系统的人工感知驱动回路

文献信息

Weichen Wang†, Yuanwen Jiang†, Donglai Zhong†, Zhitao Zhang†, Snehashis Choudhury, Jian-Cheng Lai, Huaxin Gong, Simiao Niu, Xuzhou Yan, Yu Zheng, Chien-Chung Shih, Rui Ning,

Qing Lin, Deling Li, Yun-Hi Kim, Jingwan Kim, Yi-Xuan Wang, Chuanzhen Zhao, Chengyi Xu,

Xiaozhou Ji, Yuya Nishio, Hao Lyu, Jeffrey B.-H. Tok, Zhenan Bao*, Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086

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