近日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院IBE团队蓝玲怡研究员报道了一种仿人体指尖皮肤组成与结构的高性能离电式压力传感器，实现了对灵巧手抓取过程中物体形状与成熟度的精准感知。

  2026年5月26日，相关研究以“Skin-mimicking biogel-based iontronic sensor with hierarchical bionic coupling for dexterous tactile e-skin”为题发表在Nature Communications期刊上。

  人类的指尖皮肤具有独特的表皮-真皮互锁结构和密集分布的触觉受体，能够实现高灵敏、宽范围的力学感知。受此启发，基于离子电子双电层（EDL）效应的电子皮肤（e-skin）成为人机交互与智能机器人领域的研究热点。然而，现有电子皮肤材料大多基于聚合物薄膜或离子弹性体，与天然皮肤存在本质差异，无法完全模拟天然皮肤环境。此外，现有研究主要通过粗糙表面图案化或间隔物辅助接触来模拟真皮乳头结构，未能阐明材料特性与结构功能之间的内在关联，限制了皮肤各组分、结构设计与先进感官行为的集成仿生能力。

  为此，研究团队提出了一种逐层仿生耦合设计策略（图1a）。他们以明胶为基底，引入天然保湿因子乳酸钠（SL）和蒙脱土（MMT）纳米片，通过动态离子交联和氢键网络，构建了一种力学性能和保湿性能均接近人皮肤的仿生凝胶（GSM biogel）。进一步，利用砂纸模板技术在凝胶表面构筑了类似真皮乳头层的微结构，制备了基于EDL效应的离电式压力传感器。结果表明，该传感器在灵敏度（466.3 kPa^-1）、响应时间（47 ms）和压力检测范围（20 Pa—2000 kPa）等方面均表现出优异性能。研究团队进一步开发了一种可拉伸、超薄、手形的离电式传感阵列，并将其集成于灵巧手上（图1b）。该系统能够实现非破坏性抓取，并实时感知压力分布（图1c）。

图1人体指尖皮肤的触觉感知机制以及仿生GSM凝胶基电子皮肤的对应设计

  呼吸跃变型水果（如猕猴桃、芒果、李子、桃子等）的成熟度精准判断对于确定最佳采收期、减少采后损失、保障果实品质具有重要意义。然而，现有的图像识别及其他机器辅助方法往往难以准确判断这类水果的成熟度，因为外观颜色等视觉特征与内部质地变化并非始终同步。相比之下，触觉传感器能够直接获取与果实形变相关的力学信号，从而有效提升成熟度识别精度。针对这一需求，研究团队开发了GSM仿生凝胶基手形离电式传感阵列（图2a-c），凭借其类皮肤的力学性能和微结构设计，可实现与不同水果表面的共形贴合及高分辨率压力感知（图2d-f）。实验结果表明，单指按压测试中传感器峰值电容与水果弹性模量高度相关，测量结果与传统质构仪具有良好一致性（图2e-g）。

图2手形离电式传感阵列的组装及在水果按压测试中的应用

  为了能够模拟人体完整的触觉感知与处理，研究团队构建了一套由机器学习辅助的桃子成熟度智能识别系统（图3a）。系统由感知层、采集层与处理层三部分组成：感知层为共形贴合于灵巧手的手形离电式传感阵列（19通道）；采集层通过干簧管继电器扫描电路抑制串扰，经电容数字转换器（FDC2214）和微控制器（STM32）将压力信号传输至上位机（图3b-d）；处理层对多通道数据进行预处理、特征提取后，利用随机森林等机器学习模型实现成熟度分类（图3e）。t-SNE可视化结果显示特征聚类的良好可分性（图3f），随机森林模型在五折交叉验证中的得分和分类准确率均最高（图3g-h）。该技术在呼吸跃变型水果成熟度无损智能感知方面展现出广阔的应用前景。

图3基于手形离电式传感阵列和机器学习算法的桃子成熟度智能识别系统

  该研究是综合农业工程、材料和力学等多学科领域交叉融合的研究成果。论文第一单位为浙江大学生工食品学院，通讯作者为浙江大学IBE团队蓝玲怡研究员，第一作者为浙江大学IBE团队在校博士生陈一丹，共同第一作者为汪舒和叶熙路。

通讯作者简介

  蓝玲怡研究员于2023年11月入选浙江大学“百人计划”，是浙江大学应义斌教授领衔的智能生物产业装备创新团队（IBE）核心成员。主要从事农业信息感知领域的交叉研究工作，在Matter, Advanced Materials, ACS Nano等期刊发表一系列研究成果，主持国家自然科学基金面上项目、浙江省杰出青年科学基金等项目。

  个人主页：https://person.zju.edu.cn/lingyilan

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73736-3