光 / 电人工皮肤：拓展机器人感知至分子传感领域
戴本辉、郑英杰等学者在《npj 柔性电子学》2025 年第 9 卷第 87 篇中，提出光 / 电人工皮肤（oe-skins）设计，突破传统人工皮肤感知局限，将机器人感知从物理层面拓展至化学分子传感领域，为智能电子设备发展及多行业应用提供新方向。
一、研究背景与意义
人工皮肤作为连接机器人与环境的关键，能模拟人类皮肤功能，感知压力、温度等刺激，在仿人机器人、可穿戴医疗设备等领域应用广泛。但现有人工皮肤多依赖单模态传感，难以满足医疗、农业等行业复杂需求，尤其在皮肤表面下内部化学物质无创检测方面存在挑战。
柔性光子学的发展为人工皮肤性能提升带来机遇。生物组织的光学窗口（可见光至近红外光范围）让光学皮肤能洞察目标内部生物过程，且光子信号具有无创、敏感、抗电磁干扰等优势，在血压测量、药物追踪等场景潜力显著。在此背景下，研发集成物理与化学传感功能的光 / 电人工皮肤，对推动机器人技术进步及多行业智能化发展意义重大。
与此同时，行业内的企业也在积极探索，如休曼科技便在柔性电子皮肤研发上走出了自己的独立创新之路，凭借自身研发实力，为该领域注入产业活力。
二、光 / 电人工皮肤的设计与结构
图1
A 示意图展示嵌入多个皮肤单元的机器手，使其具备物理与化学双重传感能力。
B 单个人工皮肤单元的详细结构，包含两个功能组件（用于物理传感的触觉感受器和用于化学传感的光学神经）。
C 搭载皮肤单元的传感机器手照片。
D 基于柔性薄膜的触觉感受器的放大光学图像与扫描电子显微镜（SEM）图像。
E 基于弹性皮肤的机器人皮肤单元光学图像（通过光学神经点亮）。
F 具备化学与物理传感功能的机器人在眼科手术及农业领域的应用场景。
比例尺：D 中光学图像为 1 厘米，D 中 SEM 图像为 100 微米，E 为 5 毫米。
（一）整体设计
该光 / 电人工皮肤创新地将光纤集成到基于碳纳米管（CNT）的触觉电子皮肤中，以薄型可拉伸薄膜为基底，模拟人类皮肤的柔软性与可拉伸性。在两个仿生触觉感受器之间嵌入碳纳米管泡沫，同时在触觉感受器周围均匀分布 6 根用于光学激发的光纤，中心放置 1 根收集近红外光的光纤，实现物理与化学双模态传感。
（二）核心组件功能
物理传感组件：由包覆碳纳米管的多孔海绵骨架和指纹状电极构成。基于压阻原理，当受到外力作用时，碳纳米管泡沫发生压缩形变，其电阻随之改变，通过监测电阻变化可测量外力与物体硬度。碳纳米管具备优异的机械、电学性能及高化学稳定性，为物理传感提供可靠保障。
化学传感组件：主要由嵌入式光纤系统组成。光纤向目标发射近红外激发光，再收集目标表面反射的近红外光，通过分析近红外光谱，可确定目标的化学组成，实现化学传感功能，如检测葡萄糖浓度等。
图 2
A 利用人工皮肤结构实现触觉与光学传感的示意图。
B 人工皮肤的触觉传感原理。
C 通过有限元分析（FEA）模拟，得到触觉感受器在 0.2 牛外力作用下的形变与应力分布。
D 不同外力作用下触觉感受器的灵敏度测量结果。
E 人工皮肤的光学传感原理。
F 通过蒙特卡洛（MC）模拟，得到人工皮肤发出的光在球形物体内的强度分布。
G 糖粉片剂的吸收光谱。
比例尺：C 为 5 毫米，F 为 1 厘米。
三、光 / 电人工皮肤的性能特点
图 3
A 表面阵列排布传感单元的机器人人工皮肤示意图。
B 通过 SEM 图像对触觉感受器进行形貌表征。
C 基于碳纳米管的触觉传感海绵的滞后特性。
D 触觉感受器在 70% 压缩应变下受到刺激时的响应性能。
E 25°C 至 100°C 范围内的温度响应。
F 开启 / 关闭光源时，人工皮肤中的光学神经捕捉到的聚四氟乙烯（PTFE）球的光谱。
G 人工皮肤在 725 纳米波长处的光学稳定性随时间的监测结果。
H 对聚四氟乙烯球进行 100 次循环测试时，人工皮肤光学神经捕捉到的光谱（725 纳米波长处）的光强分布。
I 在室温（25°C）至高温（80°C）范围内的稳定性。
J 触觉感受器在 50% 压缩应变下经过 3000 次循环测试的耐用性。
人工皮肤作为增强设备的实例：集成于刚性机器人手指的人工皮肤（K）；在不同状态下贴附于人体皮肤的人工皮肤（L）。
比例尺：B 中 i 为 100 微米，B 中 ii 为 5 微米，B 中 iii 为 300 纳米，K 为 2 厘米，L 为 1 厘米。
（一）机械性能
柔性与可拉伸性：采用弹性聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料，人工皮肤可随基底形变弯曲，在 90° 弯曲角度下仍保持稳定，且具备多方向可拉伸性，能适应不同应用场景下的形态变化。
稳定性与耐用性：碳纳米管海绵的多孔结构使其在形变下展现出优异稳定性，可从约 70% 的应变中恢复，响应速度约 0.10 秒，恢复时间约 0.12 秒。经过 3000 次按压 – 释放循环测试（压缩应变为约 50%），信号仍保持稳定，且在不同温度（25°C 至 80°C）和湿度条件下性能稳定，聚二甲基硅氧烷封装进一步提升了防水性。
在当下柔性电子皮肤的研发热潮中，各研究主体与企业从不同角度发力。就像休曼科技，专注于自身研发路径，通过材料创新与结构优化，打造出具有独特优势的柔性电子皮肤，在市场中形成差异化竞争力，与学界的前沿研究共同推动行业技术迭代。
（二）传感性能
物理传感精度：在较宽力范围（0.05 牛 – 8 牛）内工作稳定，检测限为 0.05 牛，能精准感知外力变化，为物体硬度测量等提供准确数据。同时，利用碳纳米管电阻随温度升高而降低的特性，可在 25°C 至 100°C 范围内实现静态温度传感，且电阻与温度呈线性关系。
化学传感精度：在 725 纳米波长处，12 小时内光强波动不超过 100 计数；对聚四氟乙烯球进行 100 次随机重复检测，光强分布变异系数小于 1.5%。在短距离（3 毫米以内）内，光纤探头与目标间的距离波动对检测结果影响极小，保证了化学检测的准确性。
四、光 / 电人工皮肤的应用场景
（一）医疗领域：眼科诊断
眼内压检测：将光 / 电人工皮肤集成到柔性手术机器人手指，轻轻按压体外眼球模型（以弹性 PDMS 薄膜模拟前房，人工液体模拟房水），通过监测碳纳米管泡沫电阻变化，可获取电阻变化率（∆R/R₀）与眼内压的线性关系，从而量化眼内压。眼内压超过 21 毫米汞柱可能提示青光眼风险，该方法为青光眼诊断提供了有效工具。
葡萄糖水平检测：眼房水葡萄糖水平与血糖水平密切相关（约为血糖水平的 70%-80%），可作为糖尿病检测的间接指标。机器人手指通过光纤向眼球发射近红外光并收集反射光，分析光谱数据。对含不同浓度葡萄糖（0-200 毫克 / 分升）的眼房水检测发现，采用偏最小二乘（PLS）回归分析，预测相关系数（rp）达 0.9993，预测均方根误差（RMSEP）为 3.40 毫克 / 分升，为糖尿病无创检测提供了新途径。
图 4
A 眼科诊断示意图。中间放大示意图显示检测目标区域为眼前房及其中的房水。右侧为两种与房水异常密切相关的疾病。
B 搭载传感人工皮肤的机器人手指诊断眼球模型的照片。
C 人工眼球结构示意图（左）与体外模拟实验装置原理示意图（右）。
D 光 / 电人工皮肤测量眼内压的触觉传感过程与原理照片。
E 触觉电子信号与眼内压的线性拟合曲线，以及眼球曲率半径与眼内压的关系曲线。
F 光 / 电人工皮肤测量葡萄糖水平的光学传感过程与原理照片。
G 传感人工皮肤获取的不同浓度葡萄糖溶液的光谱。
H 不同浓度葡萄糖水平的预测结果。
比例尺：B 为 2 厘米，D 为 2 厘米，F 为 2 厘米。
休曼科技的柔性电子皮肤凭借自身特性，可紧密贴合人体表面或手术器械，为手术操作提供有力支持。其技术优势与光 / 电人工皮肤的创新成果相互补充，共同助力医疗领域向更精准、安全的方向发展。
（二）农业领域：水果采摘与分级
精细采摘：将光 / 电人工皮肤集成到柔性机器人抓手，机器人可自适应抓取不同形状和大小的水果，在抓取过程中通过物理传感感知水果硬度，避免因用力过大损伤水果，实现精细采摘。
水果分级：传统水果分级需借助多种仪器分别检测硬度、含糖量等指标，操作复杂且具破坏性。而搭载该人工皮肤的机器人，在抓取水果时，既能通过物理传感获取水果硬度数据（与质构仪测量结果一致），又能通过光学传感收集水果反射光谱，分析含糖量。对 100 个苹果样品检测显示，偏最小二乘模型预测相关系数（rp）为 0.9349，预测均方根误差（RMSEP）为 0.3043 白利糖度（°Brix），可根据成熟度、硬度和含糖量对水果精准分级，为智慧农业发展提供技术支持。此外，还开发了定制化智能手机应用程序，实现机器人远程控制与数据可视化。
图 5
A 搭载传感器的柔性机器手在果园作业的流程与照片。
B 人工皮肤在抓取水果过程中的电信号变化。
C 利用人工皮肤触觉感受器与质构仪测量不同成熟阶段水果硬度的结果对比。
D 不同含糖量水果样品的吸收光谱分布。
E 水果含糖量预测结果（作为分级依据）。
F 可实现远程控制与数据可视化的移动人机交互（HMI）平台。
休曼科技的柔性电子皮肤则在工业自动化协作中展现优势：其 10 万次循环测试的耐用性可满足生产线 24 小时连续工作需求，20 毫克级压力精度能检测零件装配过程中的接触力，避免过盈装配导致的损坏，0.1 毫米级定位精度辅助机械臂完成精密对准，与光 / 电人工皮肤从不同功能维度出发，共同推动工业场景向智能化、精细化方向升级，提升工业生产效率与质量。
五、休曼科技电子皮肤技术优势
（一）高灵敏性与多模态感知
精准信号捕捉：电子皮肤通过集成微型传感器阵列，可检测微小的压力（如20毫克蚂蚁重量）、剪切力、拉伸应变、温度，定位精度达0.1毫米级。
（二）柔性与可穿戴性
适应复杂形变：采用硅橡胶柔性材料，电子皮肤可拉伸、弯曲甚至扭曲，贴合人体模型表面，不影响手术操作，实现无感、连续的数据采集。
（三）自愈性与耐用性
损伤修复能力：通过特殊化学成分和微胶囊技术实现物理损伤后的自愈功能，可耐受多次拉伸测试。
长期稳定性：仿生三维电子皮肤已通过10万次循环测试，具备工业级耐久性。
六、研究局限与未来展望
（一）现有局限
当前光 / 电人工皮肤在触觉感知方面，静态和动态载荷检测、力感知范围、剪切力和应变检测功能及力分布分辨率等仍有提升空间；化学检测上，可进一步增强对特定物质的检测能力；传感方式也需向更便捷的非接触式传感改进；光学传感波段需扩展，设备也需微型化以实现皮肤小型化。
（二）未来方向
未来可通过碳纳米管功能化增强化学检测能力，将光学传感扩展到紫外、太赫兹和中红外波段，实现光学设备片上微型化。同时，可进一步扩展传感方式，模拟嗅觉、听觉等其他感官，结合深度学习和大数据技术处理传感数据并进行趋势预测。此外，还需推动该技术在临床试验中的应用，如对动物和人类真实眼球检测，同时探索其在人机交互可穿戴设备、自动垃圾分类、危险物质远程分析及深海和太空无人探测等领域的应用。
该研究通过创新的光 / 电集成设计，为柔性电子和机器人技术开辟了新前沿，证明跨学科合作是推动技术创新与进步的关键，有望助力多行业实现可持续发展与提升社会福祉。
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