能够感知触觉的皮肤能够提供自然且直观的交互体验。然而，现有的人工皮肤设计在多功能性和可持续性之间存在取舍。在进化生物学中，生物的形状是由基因组成和外部环境共同决定的；类似地，材料的性质源于基元组成和序构方式。因此，材料特性的调节可以通过类遗传学的方法进行描述和实现。借鉴这一原理，人工皮肤有望乐高积木一样灵活地重新配置组件。由此提出了一个新的设想——可以开发一种具有多种潜在的感知特性的类人皮肤系统，其部分功能可以通过材料基因的表达调节来选择性改变。人工皮肤与材料基因概念的结合，将实现机器人皮肤系统的功能导向设计与持续性制造。
图1 可变机器皮肤的设计概念图
近日，北京科技大学前沿交叉科学技术研究院张跃院士和厦门大学电子科学与技术学院廖新勤、陈忠等人从生物进化中的基因表达原理中汲取灵感，开发了一种由同质单元构成的可变机器人皮肤。该人工皮肤通过可逆材料的诱导分化与热水解回收，可以周期性地调整其固有特性，类似于生物体中的基因表达。与传统的功能单一的传感方案不同，这种设计允许源于组分的均质材料基元仅通过诱导条件变化从而激活多种触摸感知功能，比如位置、压力和动态触觉等（图1b）。这种可变性显著提升了系统的多功能性和可持续性，降低了材料复杂性，并通过同质化结构的重新构建，实现了不同功能单元的定制化组合（图1f）。该工作以“Alterable Robotic Skin Using Material Gene Expression Modulation”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。论文第一作者为厦门大学电子科学与技术学院博士生于世凡。
图2 快速溶解和高强度的交联渗透复合水凝胶
作者提出了一种交联-渗透复合水凝胶网络：通过在本征聚乙烯醇（PVA）水凝胶网络中引入第二相羧基化纤维素纳米纤维（CCNF）渗透网络来构建复合网络（图2a-d）。复合网络解决了一般可回收网络无法兼顾高机械强度和可回收便利性的难题（图2e-g）。基于水凝胶的机器人皮肤具有状态可复原、性质可继承和功能可分化的三个特点，建立了生物组织基因表达与人工系统智能制造之间的联系（图i-k）。
图3 触觉定位层的设计与特性。
基于功能导向设计思路，水凝胶网络被分化制造成两层功能传感层：触摸定位层（TP层）和压力感知层（PS层）。TP层由热诱导聚合水凝胶制造。热诱导聚合水凝胶具有高强度、高稳定性和低电信号漂移特性，从而更适用于机器人皮肤的触摸定位层。作者采用四电极结构，结合位置矫正算法，实现了大面积、全区域的高精度触摸定位（图3a-c）。基于超快响应（<10ms）和超低误差（均方误差低于3%）的触摸定位板展示了高精度触摸定位、普适性手写识别等功能（图3d-i）。在回收复用制造后，传感信号以及识别功能仍然保持（图3j-k）。
图4 压力感应层的设计与特性。
PS层有冷冻诱导聚合水凝胶制造。冷冻诱导聚合水凝胶的高离子导电率提升压力感知信号、柔软特性，更能赋予PS层更贴近皮肤组织的体验。作者采用结合半球形微结构设计，大幅提升了压力感应的灵敏度（图4c-e）。PS层不仅能够感知静态压力，还可以通过分析触觉动作的频率和强度信号，区分不同的触觉模式，如拍、打击、挠等，这在触觉互动中的应用潜力巨大（图4f-g）。
图5 触觉互动系统的应用场景
作者验证了两种功能层协同工作能力。可变机器人皮肤能够通过捕获多种触摸模式的触觉信息（如拍打、抚摸等），并基于这些触觉信号驱动机器人做出相应的动作（图5a-d）。传感模式集成实现融合触觉信息的高效识别，可用于基于触摸压力与位置的人机触觉交互。该系统仅需五个数据通道就可以传输全面积内的触摸位置和压力信息，通过结合位置信号与压力信号的多模态分析，显著提升了对复杂触觉运动的识别精度（高达97.25%）（图5e-j）。这一系统展现了可变机器皮肤在交互场景中的高效信息处理和反馈能力，在教育娱乐、智能机器人和仿生义肢等领域具有潜在应用价值。
这项工作提出了一种可改变的机器人皮肤，其传感单元具有高度的自由度，可以重新排列特征图案并按需更新传感机制，从而实现卓越的功能可扩展性和可持续性。交联-渗透复合凝胶网络在保证高机械强度的同时降低溶解条件。它具有可恢复性、可遗传性和可分化性三大特征，使材料的属性表达能够在温度及其他交联诱导环境下直接驱动。属性的广泛可调性为TP层和PS层带来了高指向性的功能增强，可用于超分辨率坐标映射、高精度手写交互和高效的触摸模式分类。传感单元允许独立响应单个传感模式而不受干扰，因此可变机器人皮肤在通过多维触摸差分理解交互意义方面达到97.25%的准确性。这些特性有助于改善基于触觉感知的多样化交互体验，在双向HRI、仿生假肢和多模态控制系统中显示出巨大的潜力。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416984
