《百變星君》講述了阿星因得罪黑幫遭轟殺至粉身碎骨，後由教授將其改造為能變化多種形態(tài)的人造人復活，最終通過置入教授發(fā)明的晶片實現(xiàn)各種形態(tài)的變形，最終打敗黑幫製造的鐵甲威龍。?

在人與智慧型機器的互動中，觸覺感知是一種直觀且令人驚歎的體驗。想像一下，未來的機器人不僅能夠理解你的語言，還能通過感知到你的觸摸，回饋溫度、壓力甚至是輕柔的撫摸。然而，現(xiàn)有的人工皮膚設計在多功能性與可持續(xù)性之間仍然面臨著困境——它們往往只能包含特定功能，除非改變成分，否則無法按照重構(gòu)性能和改變功能。而且，在目前的設計中，人工皮膚即使能實現(xiàn)回收，也多為定向回收。這意味著，材料只能被拆解成特定的用途，無法重新設計組合，實現(xiàn)功能為導向的感測器性質(zhì)定制。這種局限性嚴重影響了未來智慧型機器的可持續(xù)發(fā)展與擴展性。

為了解決這一挑戰(zhàn)，北京科技大學張躍院士和廈門大學廖新勤、陳忠等人提出一種基於材料基因表達調(diào)控的可變機器皮膚。相關研究以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，展示了通過材料基因表達調(diào)控實現(xiàn)功能單元可重構(gòu)的機器人皮膚設計。這種人工皮膚不僅具備功能單元的可重構(gòu)能力，還能實現(xiàn)靈活的性質(zhì)定制，使得機器人在結(jié)構(gòu)和功能上更貼近原始自然的皮膚。

圖1 可變機器人皮膚的設計概念圖

通過借鑒生物系統(tǒng)中的基因表達原理，研究團隊設計了一種具有可變特性的機器人皮膚，其核心原理為：水凝膠材料基元通過熱聚合和冷凍聚合等不同誘導條件下展現(xiàn)特異的功能屬性，可分別作為仿生機器人皮膚的觸摸定位功能層和壓力感知功能層（圖1a）。本文介紹了一個可持續(xù)的製造框架，包括設計、製造、整合和再生階段。該框架允許功能電子元件的靈活回收和重建，以滿足不斷變化的需求，為人工智慧系統(tǒng)帶來顯著的可擴展性和可持續(xù)性（圖1b）。與傳統(tǒng)的功能單一的傳感方案不同，這種設計允許源於組分的均質(zhì)材料基元僅通過誘導條件變化從而啟動多種觸摸感知功能，比如位置、壓力和動態(tài)觸覺等。這種可變性顯著提升了系統(tǒng)的多功能性和可持續(xù)性，降低了材料複雜性，並通過同質(zhì)化結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)建，實現(xiàn)了不同功能單元的定制化組合（圖1e-f）。

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圖2 快速溶解和高強度的交聯(lián)滲透複合水凝膠?

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研究團隊提出了一種交聯(lián)-滲透複合水凝膠網(wǎng)路：通過在本征聚乙烯醇（PVA）水凝膠網(wǎng)路中引入第二相羧基化纖維素納米纖維（CCNF）滲透網(wǎng)路來構(gòu)建複合網(wǎng)路（圖2a-d）。複合網(wǎng)路解決了一般可回收網(wǎng)路無法兼顧高機械強度和可回收便利性的難題。其中，纖維滲透網(wǎng)路可以在本征氫鍵網(wǎng)路內(nèi)形成第二網(wǎng)路，提高整體的機械強度（圖2e），且促進體系離子電導率；而且，羧基化纖維素表面的羥基基團可作為占位鍵，抑制PVA本征網(wǎng)路的硬化，獲得低熱水解溫度（圖2f-g）?；端z的機器人皮膚具有狀態(tài)可復原、性質(zhì)可繼承和功能可分化的三個特點，建立了生物組織基因表達與人工系統(tǒng)智慧製造之間的聯(lián)繫（圖i-k）。

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圖3 觸覺定位層的設計與性能測試

研究者展示了熱誘導聚合水凝膠用作觸摸定位層（TP層）的設計機制與性能測試。熱誘導聚合水凝膠的高強度、高穩(wěn)定性和低電信號漂移特性適用于機器人皮膚的觸摸定位層。研究者採用四電極結(jié)構(gòu)，結(jié)合位置矯正演算法，實現(xiàn)了大面積、全區(qū)域的高精度觸摸定位（圖3a-c）?；冻旎貞?/span><10ms）和超低誤差（均方誤差低於3%）的觸摸定位板展示了高精度觸摸定位、普適性手寫辨識等功能（圖3d-i）。在回收復用製造後，傳感信號以及識別功能仍然保持（圖3j-k）。

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圖4 壓力感應層的結(jié)構(gòu)和性能測試

研究者展示了冷凍誘導聚合水凝膠用作壓力傳感層（PS層）的設計機制與其對不同壓力的回應性能（圖4a-b）。冷凍誘導聚合水凝膠的高離子導電率提升壓力感知信號、柔軟特性更能賦予PS層更貼近皮膚組織的體驗。研究團隊採用凍融交聯(lián)的水凝膠層，結(jié)合半球形微結(jié)構(gòu)設計，大幅提升了壓力感應的靈敏度（圖4c-e）。PS層不僅能夠感知靜態(tài)壓力，還可以通過分析觸覺動作的頻率和強度信號，區(qū)分不同的觸覺模式，如拍、打擊、撓等，這在觸覺互動中的應用潛力巨大（圖4f-g）。

?圖5 觸覺互動系統(tǒng)的應用場景

研究者開發(fā)了一套完整的觸覺互動系統(tǒng)，以驗證兩種感知層的協(xié)同工作性能?？勺儥C器人皮膚能夠通過捕獲多種觸摸模式的觸覺資訊（如拍打、撫摸等），並基於這些觸覺信號驅(qū)動機器人做出相應的動作（圖5a-d）。傳感模式集成實現(xiàn)融合觸覺資訊的高效識別，可用於基於觸摸壓力與位置的人機觸覺交互。該系統(tǒng)僅需五個資料通道就可以傳輸全面積內(nèi)的觸摸位置和壓力資訊，通過結(jié)合位置信號與壓力信號的多模態(tài)分析，顯著提升了對複雜觸覺運動的識別精度（高達97.25%）（圖5e-j）。這一系統(tǒng)展現(xiàn)了可變機器皮膚在交互場景中的高效資訊處理和回饋能力，在教育娛樂、智慧型機器人和仿生義肢等領域具有潛在應用價值。小結(jié)研究者提出了一種基於材料基因表達調(diào)控的可變機器皮膚，能夠在同一材料系統(tǒng)中實現(xiàn)多種功能的動態(tài)重構(gòu)，如觸覺定位和壓力感知。通過納米纖維複合水凝膠的交聯(lián)設計，該皮膚不僅具備高機械強度，還具有快速溶解和重構(gòu)的能力，實現(xiàn)了可持續(xù)迴圈使用。觸覺定位層具備高精度的觸摸位置檢測，而壓力感應層能夠靈敏地感知並區(qū)分不同的壓力和觸摸模式。在集成模式下，該機器人皮膚基於精簡資料卻實現(xiàn)全區(qū)域內(nèi)的協(xié)同感知。這種創(chuàng)新設計為柔性電子、仿生義肢和智慧型機器人領域帶來了全新的應用前景。

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來源：高分子科學前沿

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