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皮膚是人類最大的感覺(jué)器官，同時(shí)也是人類的保護(hù)層。它同時(shí)可“感知”多個(gè)感官輸入，并向大腦報(bào)告濕度、溫度和壓力等信息。對(duì)Anna Maria Coclite來(lái)說(shuō)，具有這種多傳感器特性的材料是“人工智能材料技術(shù)中的一個(gè)‘圣杯’。特別是，機(jī)器人和智能假肢將受益于一個(gè)更集成、更精確的類似于人類皮膚的傳感系統(tǒng)。Anna Maria Coclite，這位ERC獎(jiǎng)得主、TU Graz固態(tài)物理研究所的研究員利用一種新工藝，成功開(kāi)發(fā)了下一代人造電子皮膚的三合一混合材料“智能皮膚”。
纖細(xì)如指尖
近六年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)一直致力于智能皮膚的開(kāi)發(fā)，作為Coclite的ERC項(xiàng)目Smart Core的一部分。每平方毫米有2000個(gè)傳感器，這種混合材料甚至比人類指尖更敏感。每個(gè)傳感器都由獨(dú)特的組合材料組成：內(nèi)部以水凝膠形式存在的智能聚合物和壓電氧化鋅外殼。Coclite解釋說(shuō)：“水凝膠可以吸收水分，因此在濕度和溫度變化時(shí)會(huì)膨脹。在此過(guò)程中，水凝膠會(huì)對(duì)壓電氧化鋅施加壓力，氧化鋅會(huì)通過(guò)電信號(hào)響應(yīng)這種壓力和所有其他機(jī)械應(yīng)力。”其結(jié)果是一種薄晶圓材料，能夠以極高的空間分辨率同時(shí)對(duì)力、水分和溫度做出反應(yīng)，并發(fā)出相應(yīng)的電子信號(hào)。“Maria Coclite表示：“第一批人造皮膚樣本的厚度為6微米，或0.006毫米。但它可以更薄。”相比之下，人類的表皮厚0.03到2毫米。人類的皮膚通過(guò)大約一平方毫米的面積感知事物。智能皮膚的分辨率比人類皮膚小一千倍，可以記錄對(duì)人類皮膚來(lái)說(shuō)非常小的物體（如微生物）。
納米級(jí)材料制造
單個(gè)傳感器層非常薄，同時(shí)配備了覆蓋整個(gè)表面的傳感器元件。這在世界范圍內(nèi)可能都是獨(dú)一無(wú)二的，研究人員首次將物理化學(xué)的三種已知方法結(jié)合起來(lái)，即水凝膠材料的化學(xué)氣相沉積、氧化鋅的原子層沉積和聚合物模板的納米光刻印刷。聚合物模板的光刻制備由Barbara Stadlober領(lǐng)導(dǎo)的“混合電子與結(jié)構(gòu)”研究小組負(fù)責(zé)。該小組隸屬于Joanneum Research位于Weiz的材料研究所。
幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也正關(guān)注這這種類皮膚混合材料。例如，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，傳感器材料可以獨(dú)立檢測(cè)微生物并相應(yīng)地報(bào)告它們。同樣可以想象的是，可以為佩戴者提供溫度或濕度信息的假肢，或者可以更敏感地感知環(huán)境的機(jī)器人。在應(yīng)用的道路上，智能皮膚具有決定性的優(yōu)勢(shì)，感官納米棒——材料的“智能核心”——是使用基于氣相的制造工藝生產(chǎn)的。在集成電路的生產(chǎn)工廠中，這種工藝已經(jīng)很成熟。因此，智能皮膚的生產(chǎn)可以很容易地在現(xiàn)有生產(chǎn)線中擴(kuò)展和實(shí)施。
現(xiàn)在正在進(jìn)一步優(yōu)化智能皮膚的性能。Anna Maria Coclite和她的團(tuán)隊(duì)希望擴(kuò)大材料反應(yīng)的溫度范圍，以及提高人造皮膚的柔韌性。
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