我國科學(xué)家研制出人造光子皮膚

日前，馬斯克宣稱特斯拉將出品“人型機(jī)器人”的消息受到關(guān)注。不管特斯拉的“人形機(jī)器人”到底如何，只要是個(gè)機(jī)器人，它就不光要有人的外形，關(guān)鍵還得像真正的人一樣擁有觸覺、溫覺和痛覺——它需要有感覺的皮膚。

在中國科學(xué)院化學(xué)研究所的實(shí)驗(yàn)室中，科研人員讓一只人手模型擺出不同的手勢(shì)，貼在模型上的傳感芯片感受到了手指的關(guān)節(jié)活動(dòng)。

這是該所研究員趙永生帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研制出的最新款人造光子皮膚。這項(xiàng)工作首次提出用柔性有機(jī)激光材料制備出具有傳感功能的激光陣列的思路，并發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了這一思路，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出“三維支撐性微盤結(jié)構(gòu)”，最終展示了其類皮膚的機(jī)械傳感應(yīng)用。

采用新材料

健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、義肢、仿生機(jī)器人……許多酷炫的新科技都需要模仿或者增強(qiáng)人的皮膚功能，“人造智能皮膚”前景光明。當(dāng)前，繼利用柔性電子學(xué)原理設(shè)計(jì)的人造智能皮膚已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展后，柔性光子學(xué)原理成為吸引科學(xué)家關(guān)注的新方向。

“光子學(xué)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。”長(zhǎng)期致力于有機(jī)激光材料研究的趙永生介紹說。

據(jù)了解，有機(jī)激光材料是一種具有潛力的新材料，在受到激發(fā)時(shí)會(huì)“升級(jí)”成“激發(fā)態(tài)”，產(chǎn)生激光信號(hào)。同時(shí)，有機(jī)材料具有柔性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)。因此，用這類新材料制備人造光子皮膚成為一項(xiàng)絕佳選擇。

前期工作中，趙永生團(tuán)隊(duì)圍繞有機(jī)激光材料開展了深入研究。一系列研究工作表明，有機(jī)激光器的輸出信號(hào)對(duì)光、熱、化學(xué)等刺激具有非常靈敏的反應(yīng)，有望用于高靈敏的傳感器件構(gòu)筑。同時(shí)，他們還致力于探索柔性有機(jī)激光材料的可控加工，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)。

“寫”出“陣列”

在最新的這項(xiàng)工作中，科研人員首次提出了“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。為了實(shí)現(xiàn)靈敏感知的功能，他們?cè)谕该鞯木酆衔镆r底上對(duì)許多微型有機(jī)微納激光器進(jìn)行“排兵布陣”。類似于電子屏幕上像素點(diǎn)越多分辨率就越高，激光器越多，則光子皮膚的“感覺”越細(xì)膩。

想要在類似皮膚的柔性襯底上構(gòu)筑“陣列”面臨嚴(yán)重的技術(shù)困難，在硅基材料加工領(lǐng)域相對(duì)成熟的光刻技術(shù)對(duì)于絕大多數(shù)的有機(jī)材料很難適用。為此，他們發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”，相當(dāng)于用一種特殊的“筆”把有機(jī)激光材料“寫”在襯底上。

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

電子束直寫技術(shù)是一種具有高分辨率、高靈活性的圖形加工技術(shù)，已經(jīng)在納米材料及其器件制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。據(jù)了解，這是科學(xué)家第一次采用這項(xiàng)技術(shù)來制作光子皮膚。

業(yè)內(nèi)專家看來，基于有機(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)鍵所在。

“微盤結(jié)構(gòu)”創(chuàng)新

在“寫”“陣列”的過程中，科研人員還發(fā)明了一種特殊的結(jié)構(gòu)?！叭绻延袡C(jī)微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關(guān)節(jié)活動(dòng)它可能會(huì)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)碎裂和變形，這樣會(huì)對(duì)光子學(xué)性能產(chǎn)生不利影響?！壁w永生解釋。

為此，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種三維的“支撐型微盤結(jié)構(gòu)陣列”。實(shí)驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)能夠維持“皮膚”的機(jī)械穩(wěn)定性，不受關(guān)節(jié)活動(dòng)影響。同時(shí)，它還可以有效抑制光場(chǎng)向襯底的泄露，讓微盤腔具有較強(qiáng)的光學(xué)限域能力。

至此，正是基于支撐型微盤結(jié)構(gòu)，可以用作高性能傳感信號(hào)源的柔性微激光陣列得以完成。

最后，科研人員進(jìn)一步將這樣的微盤構(gòu)筑成了“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(hào)的可辨識(shí)度與準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，他們還將一個(gè)懸浮微米線波導(dǎo)集成到耦合微腔上，構(gòu)筑了對(duì)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(cè)。

在概念性光子皮膚展示實(shí)驗(yàn)中，科研人員將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實(shí)現(xiàn)了多種手勢(shì)的識(shí)別。據(jù)稱，原則上，所有伴有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的人體動(dòng)作都可以用該類芯片進(jìn)行識(shí)別。

專家表示，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。