36歲獲杰青資助時隔一年他再發Science

　　人體皮膚對機械刺激的感知源于機械感受器的傳導，它將外力轉化為電信號。雖然模仿這些機械感受器的空間分布可以使電子皮膚的發展能夠解耦感應法向/剪切力和應變，但它仍然難以捉摸。

　　2024年5月30日，清華大學張一慧（2022年國家杰出青年科學基金獲得者，36歲）團隊在Science 在線發表題為“A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation”的研究論文，該研究報道了一種三維(3D)結構的電子皮膚(標記為3DAE-Skin)，其力和應變傳感組件以3D布局排列，模仿人類皮膚中的Merkel細胞和Ruffini末梢。

　　這種3DAE-Skin具有優異的法向力、剪切力和應變解耦傳感性能，可以開發觸覺系統，通過觸摸同時測量物體的模量/曲率。演示包括水果、面包和蛋糕的快速模量測量，具有不同的形狀和新鮮度。該研究開發了一種基于3DAE-Skin、數據采集電路和深度學習輔助信號處理模塊的觸覺系統，可以通過簡單的觸摸同時測量物體的彈性模量和局部主曲率分量。

　　另外，2023年3月24日，清華大學張一慧團隊在Science 在線發表題為“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”的研究論文，該研究報道了一種使用微晶格精確設計3D多孔曲面的方法。該研究報告了一種合理的微晶格設計，允許通過機械引導組裝將2D薄膜轉換為可編程的3D曲面。分析建模和基于機器學習的計算方法作為形狀編程的基礎，并確定目標3D曲面所需的異構2D微晶格模式。總之，該研究提出了大約30種幾何形狀，包括規則介孔表面和生物介孔表面。演示包括一個順應的心臟電子設備，一個類似黃貂魚的雙模驅動器和一個3D電子細胞支架（點擊閱讀）。

　　2021年9月22日，國伊利諾伊大學厄巴納分校Leonardo P. Chamorro ，清華大學張一慧，美國西北大學黃永剛及John A. Rogers共同通訊在Nature 在線發表題為“Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds”的研究論文，該研究報道了一種3D飛行器其靈感來自風散植物種子的被動直升機式風傳播機制。所采用的工藝可以快速并行制造大量飛行器同時可以使用標準絕緣體上硅技術集成簡單的電子電路。該工作通過調整設計參數，如直徑、孔隙率和機翼類型等，可以在設備和周圍空氣之間產生有益的相互作用。這種相互作用通過誘導旋轉運動降低了飛行器的終端速度，增加了空氣阻力并提高了穩定性。當與復雜的集成電路結合時，這些設備可以形成動態傳感器網絡，用于環境監測、無線通信基站或各種其他基于互聯網/物聯網的技術。

　　由于皮膚對多模態機械刺激的解耦感知能力和大腦對感知信號的學習和處理能力，人類能夠完成靈巧的操作、環境探索和對觸摸物體物理特性的感知等觸覺任務。生物學研究表明，該皮膚對機械刺激的感覺來源于皮膚中機械感受器的轉導，它將施加在皮膚上的力轉化為電信號，并通過軸突傳播到中樞神經系統(CNS)。Merkel細胞和Ruffini末梢是兩種緩慢適應的機械感受器，分別位于表皮底部和真皮內部，在三維(3D)空間中密集分布。

　　由于Merkel細胞—由真皮中的膠原纖維網絡支持—非常接近皮膚表面，它們對施加在皮膚上的力非常敏感，因為誘導應力從加載區域迅速衰減。與Merkel細胞相比，Ruffini末梢分布在離皮膚表面遠得多的地方，因此即使在皮膚本身被拉伸時，對外力(例如壓力)也不敏感由于機械感受器的這種三維分布，Merkel細胞和魯菲尼末梢可以分別有效地感知皮膚的外力和應變。

　　模仿上述機械感受器在皮膚中的空間分布，可以開發出能夠解耦感應法向/剪切力和應變的人造電子皮膚，但由于難以實現具有良好控制傳感元件三維分布的復雜結構的3D電子設備，因此仍然具有很高的挑戰性。雖然已經報道了許多令人鼓舞和激動人心的電子皮膚發展，如表皮電子學，神經形態皮膚電子系統，皮膚集成電子系統，具有內在可拉伸電子元件的電子皮膚，以及用于多參數傳感的電子皮膚和觸覺界面，但它們都沒有模仿機械感受器的三維空間分布。此外，在接近人類皮膚的空間分辨率下，法向力、剪切力和拉伸應變的解耦測量也仍然難以實現。

3DAE-Skin的仿生設計和制造（圖源自Science ）

　　該研究報告了一種生物靈感設計的3D結構電子皮膚，采用類似皮膚的多層結構，其中力和應變傳感組件以3D布局排列，模仿皮膚中的Merkel細胞和Ruffini末梢。微加工技術允許形成由層壓力和應變傳感陣列組成的光刻定義的多層電子器件，通過精確控制的機械裝配將其轉化為仿生3D結構。3D架構設備的異質封裝策略確保了力和應變傳感組件周圍的軟材料具有與皮膚中的Merkel細胞和Ruffini末梢相似的機械性能。實驗和理論研究表明，3DAE-Skin具有良好的法向力、剪切力和應變的解耦傳感性能。該研究開發了一種基于3DAE-Skin、數據采集電路和深度學習輔助信號處理模塊的觸覺系統，可以通過簡單的觸摸同時測量物體的彈性模量和局部主曲率分量。