人体皮肤具有多种机械性刺激感受器（Mechanoreceptors），其中包括慢适应感受器（Slow adapting mechanoreceptors）和快适应感受器（Fast adapting mechanoreceptors）。慢适应感受器可以使我们感知静态的、持续的外界机械刺激（如触摸、压力等），而快适应感受器可以使我们感知动态的、瞬间变化的外界机械刺激（如震动、滑动等）。为了模仿人体皮肤对多种机械刺激的感知行为，研究人员开发了多种复杂的力学传感器件，这些器件主要基于两种设计策略：（1）多个传感模块的物理组装以及（2）多种传感模式的相互切换。上述两种传统策略在实际应用中遇到很多挑战，包括制备工艺繁琐、器件操作复杂、不同传感模式信号不兼容、能耗较高等等。如何大幅精简制备工艺、简化器件操作、降低器件功耗、实现对复杂机械刺激的可靠分析和实时监测，在人工电子皮肤、智能机器人、人机交互系统以及健康监测等领域具有重要意义。

近日，美国加州大学伯克利分校Ana Arias教授团队通过巧妙模仿人体皮肤的传感行为，设计、研发了一种全新的单模式、自适应、多功能、自供电的仿生机械性刺激感受器，其核心设计理念是：通过无缝融合既互补又相互兼容的电位式（Potentiometric）传感机理和摩擦电式（Triboelectric）传感机理，实现了在单一模式信号输出的基础上对复杂机械刺激（包括强度、频率、持续时间、施加/释放速度等）的实时解析和连续监测。相关成果以 “A Single-Mode, Self-Adapting, and Self-Powered Mechanoreceptor Based on a Potentiometric-Triboelectric Hybridized Sensing Mechanism for Resolving Complex Stimuli” 为题，发表在国际著名期刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2020, 2005970），论文第一作者为吴晓东博士。

图1. 单模式、自适应、多功能机械性刺激感受器的设计理念和操作原理。

电位式传感机理在外界刺激下可以产生连续的信号输出，而摩擦电式传感机理仅仅在外界刺激施加的瞬间和释放的瞬间产生信号输出。巧合的是，这两种传感机理在目标刺激类型上是互补的，然而二者产生的信号输出却是相互兼容的（都可以产生电势差信号）。因此，通过无缝地杂化、融合这两种机理，可以形成一种单模式信号输出、多功能（既能检测静态机械刺激又能检测动态机械刺激）、自适应（器件工作机理根据外界刺激自发调节）、自供电（自发产生电势差信号）的仿生机械性刺激感受器。

图2. 单模式、自适应、多功能机械性刺激感受器的融合、杂化机制以及工作原理。

其中，电位式传感机制和摩擦电式传感机制相互独立进行，二者产生的信号输出却可以互相融合。最终的杂化信号完整保留了两种传感信号的典型特征：电位式传感信号可以反映外界刺激的强度和持续时间，而摩擦电式传感信号可以反映外界刺激的频率和施加/释放速率，从而实现了基于单一模式信号输出对复杂机械刺激的全面解析。

图3. 单模式、自适应、多功能机械性刺激感受器的力学响应特性。

由图3可知，当施加静态或者缓慢变化的机械刺激时，电位式传感模式占据主导作用；当逐渐增加外界刺激的频率时，电位式传感模式和摩擦电式传感模式同时工作，产生杂化的信号输出；当施加高频率的机械刺激时，摩擦电式传感信号取代电位式传感信号，占据主导地位。基于这种单模式、自适应的杂化传感机理，可以获取外界机械刺激的各种典型特征，包括强度、持续时间、频率、速率等。

图4. 单模式、自适应、多功能机械性刺激感受器在柔性机器人领域的应用。

上述仿生机械性刺激感受器在柔性机器人领域有一定的应用前景。例如，将器件集成在柔性机器人抓手上，在机器人抓手拾取不同的物品时，机械性刺激感受器可以实时感知机械抓手上力度的变化，为柔性机器人的精确操控提供了丰富的参考信息。

图5. 单模式、自适应、多功能机械性刺激感受器用于解析、监测日常生活中的各种复杂机械刺激。

另外，上述仿生机械性刺激感受器也可以用来检测我们日常生活中的各种机械刺激，例如敲击键盘、人体运动、机械冲击以及机械振动等，在人机界面、可穿戴智能设备、万物互联等领域有潜在的应用前景。

结论：

本工作通过巧妙的融合既互补又相互兼容的电位式传感机理和摩擦电式传感机理，实现了在单一模式信号输出的基础上对复杂机械刺激（包括强度、频率、持续时间、施加/释放速度等）的实时解析和连续监测。这种设计理念不仅大大简化了智能传感器件的制备流程与操作过程，还显著增强了其多功能性与能量效率，为复杂电子传感系统的设计和开发提供了新的技术路线和理论借鉴！

作者简介：

本文第一作者为吴晓东博士，目前为美国加州大学伯克利分校博士后，主要研究领域涉及：可穿戴柔性电子器件、人工电子皮肤、功能/智能/仿生材料及器件等，以第一作者身份在 Sci. Adv.、 Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、 J. Mater. Chem. A（2篇）、ACS Appl. Mater. Interfaces（4篇）、 Adv. Electron. Mater.、 ESN、 CST等知名学术期刊发表研究论文16篇，其中高被引SCI论文3篇，总被引1583次，H-Index 为19。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202005970

来源：高分子科学前沿

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