人造智能皮膚是指能夠模仿或增強(qiáng)人體皮膚功能的柔性功能元器件，在健康監(jiān)測、人機(jī)交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、義肢和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。柔性電子學(xué)在人造智能皮膚設(shè)計(jì)方面已取得進(jìn)展，而以光子作為信號載體的柔性光子學(xué)具有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾，以及并行處理等優(yōu)點(diǎn)，有望進(jìn)一步推進(jìn)人造智能皮膚的發(fā)展。

近年來，中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員趙永生課題組致力于有機(jī)光子學(xué)材料、有機(jī)激光材料的相關(guān)研究工作。前期研究表明，有機(jī)激光器的輸出信號對光、熱、化學(xué)等刺激具有非常靈敏的反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.），有望用于構(gòu)筑高靈敏傳感器件。該團(tuán)隊(duì)探索柔性有機(jī)激光材料的可控制備（Sci. Adv.、Nat. Commun.、Sci. China Mater.、Acc. Mater. Res.），為最終實(shí)現(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)合有機(jī)激光材料在高靈敏傳感和可控加工等方面的優(yōu)勢，趙永生課題組首次提出了基于柔性有機(jī)微納激光陣列實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的新思路（圖1）�；�于有機(jī)激光陣列的大規(guī)模柔性光子學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑是實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的關(guān)鍵。針對這一問題，研究人員發(fā)展出一種雙層電子束直寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全有機(jī)柔性微腔激光陣列的大規(guī)模制備，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于耦合腔結(jié)構(gòu)的光子學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)，展示了其類皮膚的機(jī)械傳感應(yīng)用。科研人員利用該技術(shù)，在柔性聚合物襯底上大規(guī)模制備了三維支撐型有機(jī)微盤結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以有效地抑制光場向襯底的泄露，賦予微盤腔強(qiáng)光學(xué)限域能力，并可以有效地抑制襯底應(yīng)力對微盤腔光子學(xué)性能的干擾，賦予微盤腔優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。基于支撐型微盤結(jié)構(gòu)，該研究實(shí)現(xiàn)了低閾值高韌性的柔性微激光陣列，可用作高性能傳感信號源。

圖1.基于有機(jī)微納激光陣列實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的概念示意圖

研究人員進(jìn)一步將這樣的微盤構(gòu)筑成耦合微盤腔，實(shí)現(xiàn)了單模激光輸出，顯著地增強(qiáng)了傳感信號的可辨識度與準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)將一個(gè)懸浮微米線波導(dǎo)集成到耦合微腔上，構(gòu)筑了對柔性襯底形變響應(yīng)的傳感單元，并用于人體運(yùn)動(dòng)探測。作為一種概念性的光子皮膚展示，研究團(tuán)隊(duì)將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實(shí)現(xiàn)了多種手勢的識別（圖2）。原則上，所有伴有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的人體動(dòng)作都可以用柔性耦合線-盤傳感芯片進(jìn)行識別。這種新型柔性光子學(xué)芯片在人的本體感覺重構(gòu)、人機(jī)交互和機(jī)器人自保護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖2.基于柔性有機(jī)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手勢識別

近日，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、科技部和中科院的支持。

相關(guān)鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/31/eabh3530