作為最大的感覺(jué)器官，人體皮膚能夠響應(yīng)觸覺(jué)、熱學(xué)和電學(xué)刺激產(chǎn)生離子信號(hào)，這些信號(hào)隨后傳遞給神經(jīng)元并由大腦處理，從而實(shí)現(xiàn)感知和記憶，最終促進(jìn)意識(shí)感知和決策。然而，現(xiàn)有的人工皮膚面臨著重大挑戰(zhàn)，包括無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知和記憶（即觸覺(jué)、熱學(xué)和電學(xué)刺激），難以檢測(cè)超低電流，以及在高效傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算所必需的豐富突觸行為方面存在局限性。受電鰻的啟發(fā)，本研究開發(fā)了一種基于離子電子p-n結(jié)的人工皮膚，該p-n結(jié)由PolyAT和PolyES雙層結(jié)構(gòu)組成。這種皮膚具有寬廣的溫度檢測(cè)范圍（-80至120°C，遠(yuǎn)超水凝膠對(duì)應(yīng)物）、壓力檢測(cè)范圍（0.075 Pa至400 kPa，屬于報(bào)道過(guò)的最高靈敏度之一）和電流檢測(cè)范圍（1-200 nA），同時(shí)表現(xiàn)出豐富的突觸行為和記憶功能。此外，將這種離子電子皮膚集成到機(jī)械手上，可以按需抓取不同溫度和重量的物體。更進(jìn)一步，在離子電子皮膚上實(shí)現(xiàn)了完全基于憶阻器的傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算，允許通過(guò)電刺激進(jìn)行感知、解碼和學(xué)習(xí)，在分類MNIST手寫數(shù)字圖像方面實(shí)現(xiàn)了91.3%的準(zhǔn)確率。

正文圖文解讀

圖1. a) 電鰻。下方第一個(gè)插圖顯示了電鰻發(fā)電器官內(nèi)發(fā)電細(xì)胞的排列。下方第二個(gè)插圖顯示了放電狀態(tài)下的離子通量。b) 電鰻電感受器的結(jié)構(gòu)。c) 發(fā)電細(xì)胞中電壓產(chǎn)生的機(jī)制。d) 仿生人工皮膚集成在機(jī)器人手指上用于多模態(tài)感知和記憶的示意圖。e) 人工皮膚的結(jié)構(gòu)。f) PIL彈性體通過(guò)平衡兩個(gè)并發(fā)過(guò)程形成異質(zhì)結(jié)。
解讀：該圖展示了本研究的生物靈感來(lái)源——電鰻，及其發(fā)電機(jī)制。電鰻的發(fā)電器官由數(shù)千個(gè)發(fā)電細(xì)胞組成，這些細(xì)胞在靜息狀態(tài)下內(nèi)外電壓差極小，但在受刺激時(shí)能產(chǎn)生顯著的電位差。這種生物“二極管”的結(jié)構(gòu)啟發(fā)了研究人員設(shè)計(jì)新型人工皮膚。圖1d-f示意性地展示了基于此原理構(gòu)建的、用于多模態(tài)感知與記憶的仿生人工皮膚結(jié)構(gòu)及其離子p-n異質(zhì)結(jié)的形成機(jī)制。
圖2. a) 基于PIL彈性體二極管的人工皮膚用于多模態(tài)感知和記憶的示意圖。b) PolyAT和PolyES的DSC和c) TGA表征。d) PolyAT和PolyES的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。e) 水凝膠和PIL彈性體在室溫下儲(chǔ)存時(shí)間的重量損失。f) 通過(guò)90°剝離測(cè)試量化的PolyAT和PolyES在各種基底上的粘附強(qiáng)度。g) 通過(guò)SEM觀察到的PolyAT和PolyES之間的界面結(jié)合。h) 通過(guò)CCK-8實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證材料的生物相容性結(jié)果。i) 通過(guò)細(xì)胞熒光成像分析驗(yàn)證材料的生物相容性。
解讀：圖2詳細(xì)介紹了構(gòu)成人工皮膚的聚離子液體（PIL）彈性體材料PolyAT和PolyES的特性。圖2a展示了人工皮膚的結(jié)構(gòu)示意。圖2b和2c的差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）結(jié)果表明，這兩種材料具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和良好的熱穩(wěn)定性（PolyAT約288°C，PolyES約378°C開始顯著失重）。圖2d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示它們分別具有150 kPa和100 kPa的彈性模量，滿足柔性和可穿戴設(shè)備的需求。圖2e證明了PIL彈性體相比于水凝膠具有優(yōu)異的溶劑保持能力，30天后質(zhì)量損失小于3%，而水凝膠兩天內(nèi)幾乎完全失水。圖2f顯示了PolyAT和PolyES對(duì)多種基底（如PET、玻璃、橡膠、金屬和木材）均表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性能。圖2g的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像證實(shí)了PolyAT和PolyES之間形成了緊密無(wú)縫的界面。圖2h和2i通過(guò)CCK-8實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞熒光成像證明了PolyAT和PolyES具有良好的生物相容性，細(xì)胞存活率與對(duì)照組無(wú)顯著差異。
圖3. a) 人類在電刺激后的記憶行為。b) 突觸可塑性與記憶功能之間關(guān)系的示意圖。PIL彈性體二極管的電壓響應(yīng) c) 在不同脈沖數(shù)量下（電流強(qiáng)度750nA，脈沖寬度0.22s），d) 在不同電流強(qiáng)度下（脈沖寬度0.2s），以及 e) PIL彈性體二極管的二維（電脈沖強(qiáng)度和數(shù)量）感知能力。f) 在不同脈沖數(shù)量下（電流強(qiáng)度200nA，脈沖寬度2.5s）。g) PPF指數(shù)作為時(shí)間間隔的函數(shù)。h) 脈沖數(shù)量增加到100次時(shí)的LTP（脈沖寬度0.2s）。i) 在不同電流強(qiáng)度下，100次脈沖刺激后從STP到LTP的轉(zhuǎn)變。j) 超過(guò)3500次寫入-擦除循環(huán)的穩(wěn)定性。
解讀：該圖展示了PIL彈性體二極管在電刺激下的類腦學(xué)習(xí)與記憶行為。如圖3a、b所示，人工皮膚能夠響應(yīng)電流刺激，輸出隨輸入電流脈沖幅度和數(shù)量變化的電壓信號(hào)，模擬了興奮性突觸后電位（EPSP）、配對(duì)脈沖易化（PPF）、短時(shí)程可塑性（STP）、長(zhǎng)時(shí)程可塑性（LTP）、短時(shí)記憶（STM）和長(zhǎng)時(shí)記憶（LTM）等基本特征。圖3c、d、e表明輸出電壓及其保持時(shí)間隨電流強(qiáng)度和脈沖數(shù)量的增加而增加，類似于外部刺激后從STM到LTM的轉(zhuǎn)變。圖3f顯示增加脈沖寬度和強(qiáng)度可將器件輸出電壓的保持時(shí)間延長(zhǎng)至10^4秒以上，類似人腦的永久記憶。圖3g展示了PPF行為，其指數(shù)與生物突觸中的觀察結(jié)果相當(dāng)。圖3h、i通過(guò)施加100個(gè)連續(xù)脈沖成功模擬了從STP到LTP的轉(zhuǎn)變，電壓隨脈沖數(shù)量漸進(jìn)增加，保持時(shí)間顯著延長(zhǎng)。圖3j則證明了器件在超過(guò)3500次重復(fù)寫入/擦除循環(huán)后仍具有出色的耐久性。
圖4. a) 絲綢和 b) 重物觸發(fā)的EPSC。c) 由各種加載尖峰觸發(fā)的EPSC。d) 由一對(duì)加載脈沖（1.9kPa，0.2s）以0.8s間隔觸發(fā)的EPSC。e) 不同間隔長(zhǎng)度的一系列連續(xù)壓力脈沖下的EPSC。f) 加載和釋放400kPa壓力時(shí)的響應(yīng)和弛豫時(shí)間。g) 傳感器對(duì)壓力的靈敏度及其線性范圍。h) 與先前研究的壓力傳感范圍比較。
解讀：此圖展示了人工皮膚的觸覺(jué)感知能力。如圖4a所示，傳感器在接觸絲綢（約0.075 Pa）時(shí)能產(chǎn)生明顯且可重復(fù)的信號(hào)，證明其對(duì)超低壓力的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，類似于人類的輕觸感。圖4b顯示當(dāng)施加1.9 kPa壓力時(shí)，傳感器快速響應(yīng)，移除物體后表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)，類似于人類的壓力感。圖4c顯示單個(gè)壓力脈沖（1.3 kPa，0.4 s）觸發(fā)了達(dá)到8.86 μA的興奮性突觸后電流（EPSC），移除壓力后EPSC迅速衰減并逐漸恢復(fù)基線，這與人腦的記憶行為非常相似，且EPSC值可通過(guò)壓力強(qiáng)度調(diào)節(jié)。圖4d展示了兩個(gè)連續(xù)壓力脈沖（1.9 kPa，0.2 s）引發(fā)的PPF行為，PPF值為132%。圖4e表明這種PPF行為高度依賴于壓力脈沖的間隔，短間隔增加EPSC值，長(zhǎng)間隔則導(dǎo)致成對(duì)脈沖抑制（PPD）。圖4f顯示傳感器能準(zhǔn)確感知高達(dá)400 kPa的超高壓。圖4g顯示傳感器在0-400 kPa壓力范圍內(nèi)具有優(yōu)異的靈敏度特性，尤其在0-30 kPa的低壓范圍內(nèi)，靈敏度高達(dá)90.1%/kPa。圖4h通過(guò)與先前研究比較，突顯了該傳感器實(shí)現(xiàn)的0.075 Pa至400 kPa檢測(cè)范圍是同類材料中報(bào)道的最寬檢測(cè)范圍之一。
圖5. a) 在不同距離下，0°C物體觸發(fā)PIL彈性體皮膚產(chǎn)生的EPSC。b) 由一對(duì)溫度脈沖（0°C，2.3s）以1.9s間隔觸發(fā)的EPSC。c) PPF指數(shù)作為時(shí)間間隔的函數(shù)。d) 不同間隔長(zhǎng)度的一系列連續(xù)溫度脈沖下的EPSC。e) 由-80°C物體觸發(fā)的EPSC，f) 50-100°C（2s）物體觸發(fā)的EPSC，以及g) 120°C物體觸發(fā)的EPSC（所有溫度源均距離傳感器5cm）。
解讀：本圖展示了人工皮膚的溫度感知能力。如圖5a所示，當(dāng)PIL彈性體二極管接近0°C物體時(shí)，電流變化隨距離的減小而反向增大。圖5b顯示，施加兩個(gè)連續(xù)的溫度脈沖（0°C，2.3 s）時(shí)觀察到PPF行為，計(jì)算得到的PPF值為128%。圖5c顯示了PPF指數(shù)隨時(shí)間間隔的變化，其擬合結(jié)果與生物突觸相似。圖5d進(jìn)一步揭示PPF行為高度依賴于溫度脈沖的間隔：短間隔（如10s）增加EPSC值，而長(zhǎng)間隔（如20s）則導(dǎo)致PPD。如圖5e-g所示，該傳感器能夠在非接觸傳感模式下有效檢測(cè)從-80°C到120°C的寬廣溫度范圍，并具有出色的可重復(fù)性，這遠(yuǎn)超傳統(tǒng)水凝膠基人工皮膚的性能。這種能力不僅有助于防止因直接接觸高溫源造成的皮膚灼傷，還能實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，如非接觸式預(yù)警系統(tǒng)。
圖6. a) 8x8傳感器陣列對(duì)重物和 b) 刀片的響應(yīng)。c) 8x8傳感器陣列對(duì)50°C鋼尺和 d) 裝有50°C硅油的玻璃瓶的響應(yīng)。e) 機(jī)器人手臂抓取指定溫度和重量目標(biāo)物的示意圖。f) 不同溫度和重量物體的示意圖和 g) 照片。i) 機(jī)器人手臂根據(jù) h) 響應(yīng)曲線抓取物體（所有溫度源均距離傳感器5cm）。
解讀：該圖展示了基于PIL彈性體二極管的8x8傳感器陣列在同時(shí)感知和映射壓力與溫度分布方面的能力，以及其在機(jī)器人應(yīng)用中的潛力。圖6a和6b顯示，傳感器陣列能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)不同位置的電流變化，成功定位并識(shí)別不同物體（如重物和刀片）施加的壓力位置和大小。圖6c和6d表明，當(dāng)不同溫度的物體（如50°C的鋼尺或裝有50°C硅油的玻璃瓶）接近傳感器陣列時(shí)，靠近熱源的傳感單元電流變化更顯著，從而能夠準(zhǔn)確判斷物體的位置及其與傳感器的距離，實(shí)現(xiàn)空間溫度分布的檢測(cè)。圖6e示意了將該傳感器集成到機(jī)械手上，使其能夠像人手一樣感知物體的溫度和壓力。實(shí)驗(yàn)中（圖6f、g、h、i），機(jī)械手需要從九個(gè)未知溫度（-80、120、25°C）和質(zhì)量（5、8、13 g）的物體中進(jìn)行選擇。通過(guò)分析物體的溫度和質(zhì)量數(shù)據(jù)，機(jī)械手能夠智能地選擇具有期望溫度和質(zhì)量的目標(biāo)物體，展示了其在處理復(fù)雜任務(wù)方面的感知決策能力和效率提升。
圖7. a) 由100個(gè)脈沖序列觸發(fā)的PIL彈性體二極管的多位電導(dǎo)演化。b) 應(yīng)用于PIL彈性體二極管的電脈沖序列示意圖。c) 基于PIL彈性體二極管的RC對(duì)16種不同脈沖流的電響應(yīng)（電脈沖頻率：1.17Hz）。d) 16種脈沖刺激組合下儲(chǔ)層狀態(tài)的初始和最終電壓值。e) 用于分類MNIST數(shù)據(jù)集的RC系統(tǒng)示意圖。f) PIL彈性體二極管RC系統(tǒng)識(shí)別MNIST的混淆矩陣。g) 識(shí)別結(jié)果。青色和橙色曲線分別對(duì)應(yīng)軟件和基于PIL彈性體二極管的RC系統(tǒng)的分類準(zhǔn)確率。h) 訓(xùn)練前/后對(duì)應(yīng)的PIL彈性體二極管陣列電導(dǎo)分布的初始（上圖）/最終（下圖）狀態(tài)。i) 訓(xùn)練前/后的電導(dǎo)分布。j) 使用LDA對(duì)儲(chǔ)層輸出進(jìn)行降維。
解讀：本圖展示了利用PIL彈性體二極管的電脈沖觸發(fā)的長(zhǎng)時(shí)程記憶（LTM）和短時(shí)程記憶（STM）行為，構(gòu)建了一個(gè)完全基于憶阻二極管的傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算（RC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直接從電信號(hào)中學(xué)習(xí)和推斷，無(wú)需專用的電傳感器或數(shù)字計(jì)算機(jī)。圖7a顯示了在50個(gè)正向電脈沖（15nA, 0.2s）和50個(gè)負(fù)向電脈沖（-9.5nA, 0.2s）作用下，PIL彈性體二極管出現(xiàn)的多級(jí)增強(qiáng)和抑制狀態(tài)，這些多位狀態(tài)是RC系統(tǒng)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)能力的基礎(chǔ)。圖7b展示了施加到二極管的電脈沖序列。圖7c和7d顯示，16種從(0000)到(1111)的電脈沖序列（“1”代表150nA電流，“0”代表0電流，脈沖寬度0.21s）能產(chǎn)生16個(gè)清晰可辨的狀態(tài)，展示了將復(fù)雜時(shí)空信號(hào)映射到存儲(chǔ)狀態(tài)的強(qiáng)大能力。圖7e描述了用于分類MNIST手寫數(shù)字（28x28像素圖像，預(yù)處理后reshape為4x110的電脈沖序列）的RC系統(tǒng)。圖7f的混淆矩陣顯示了良好的分類魯棒性。圖7g的識(shí)別結(jié)果表明，基于PIL彈性體二極管的RC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了91.3%的準(zhǔn)確率，略高于軟件模擬的90.2%。圖7h和7i展示了讀出層中電控存儲(chǔ)器件在訓(xùn)練前后的初始和最終電導(dǎo)值及其分布。圖7j通過(guò)線性判別分析（LDA）降維，顯示了儲(chǔ)層提取的特征向量在二維空間中良好聚類，證明了電控存儲(chǔ)器件中STM的非線性轉(zhuǎn)換對(duì)特征編碼的有效性。

總結(jié)與展望

本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：

1.仿生設(shè)計(jì)與材料創(chuàng)新：受到電鰻發(fā)電細(xì)胞的啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)并制備了基于PolyAT和PolyES雙層結(jié)構(gòu)的離子電子p-n結(jié)，構(gòu)筑了一種柔性、透明且生物相容的離子信號(hào)傳輸傳感器。

2.多模態(tài)感知與記憶一體化：該離子電子皮膚首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺(jué)（0.075 Pa至400 kPa）、熱學(xué)（-80至120°C）和電學(xué)（1至200 nA）三種外部刺激的同步感知和記憶功能，且檢測(cè)范圍寬廣。

3.豐富的類腦突觸行為：傳感器展示了包括EPSC、EPSP、PPF、STP、LTP、STM、LTM以及多位增強(qiáng)和抑制在內(nèi)的豐富突觸行為，為模擬生物神經(jīng)功能奠定了基礎(chǔ)。

4.高效的傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算：利用其獨(dú)特的突觸行為，成功構(gòu)建了傳感器內(nèi)儲(chǔ)層計(jì)算系統(tǒng)，無(wú)需傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助，即可對(duì)MNIST手寫數(shù)字進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確率高達(dá)91.3%。

5.優(yōu)異的綜合性能與應(yīng)用演示：相較于傳統(tǒng)水凝膠傳感器，該材料具有更優(yōu)的拉伸性、更寬的電化學(xué)窗口、更高的離子電導(dǎo)率以及抗水分蒸發(fā)和低溫凍結(jié)能力。將其集成于機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定溫度和重量物體的精確抓取。

審核編輯 黃宇