力学超材料由于具有优越的力学性能已被广泛应用于航空航天、柔性电子等多个领域。柔性电子器件与待测组织的紧密贴合与动态随形能力对测量数据的准确性至关重要，提升柔性电子器件的顺应性能显著降低器件的接触阻抗、提升信噪比、防止运动伪影的产生。然而由于生物组织和人造材料的不同性质及其界面的复杂性，实现身体随形的电子器件仍面临着突出挑战。利用具有自感知和形状记忆功能的材料制造智能力学超材料，有望协调柔性电子器件与不同生物组织之间的力学失调，并实现力学性能之外的主动功能，如传感、能量收集、致动、自适应、计算和信息处理。本文通过将形状记忆超材料和压电材料整合到电子皮肤结构中，实现了电子皮肤的多模态信号感知和形状记忆驱动功能，该电子皮肤在物联网、脑机接口等革命性领域具有广阔的应用前景。

  哈尔滨工业大学冷劲松院士团队近日在Advanced Functional Materials上发表题为《Metamaterial-based Electronic Skin with Conformality and Multisensory Integration》的文章。

图2. 超材料结构的力学解析模型。（Ⅰ）代表性（a）四韧带和（b）六韧带超材料结构。（Ⅱ）具有马蹄形韧带的（c）六韧带超材料等效弹性模量的理论结果。（d）具有马蹄韧带的四韧带超材料泊松比的理论结果。（Ⅲ）（a）四韧带和（b）六韧带超材料泊松比值随几何参数变化示意图。（c）超材料和组织/器官之间的σ-λ曲线比较。（d）超材料骨骼力学性能通过形状记忆效应在不同生物组织之间转换。

图3. 电子皮肤多模态传感功能示意图。（a）电子皮肤的无线数据收集系统，（b）使用不同超材料电子皮肤对手指、手腕和肘部弯曲角度进行实时监测，（c）不同单词的实时声学监测结果，（d）电子皮肤对近场目标距离的实时输出响应，（e）使用电子皮肤的近场距离识别功能操控体感游戏角色，（f）使用电子皮肤的非接触式距离感知功能控制游戏角色飞行高度的示意图。

  综上所述，本文提出了一种基于力学超材料结构的电子皮肤，实现了其多模态融合感知和形状记忆重构功能。得益于形状记忆超材料骨骼结构及其力学解析模型，电子皮肤实现了仿生非线性力学行为和模仿目标生物组织力学性能的结构重构功能。基于钙钛矿的柔性传感器实现了生理运动信息的高精度收集以及听觉、触觉和预接触距离信号。此外，通过模仿生物多感官神经网络中的整合和交互功能，该系统实现了跨模态获取、识别和整合信息的高级认知功能。电子皮肤在运动监测、语音识别和体感游戏中的应用得到了证明。这种超材料电子皮肤在跨模态感知机器人系统和脑机接口等革命性领域具有广阔的应用前景。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406789

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