人造智能皮膚是指能夠模仿或者增強(qiáng)人體皮膚功能的柔性功能元器件，在健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、義肢和仿生機(jī)器人等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。盡管柔性電子學(xué)在人造智能皮膚設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了巨大成功，但以光子作為信號(hào)載體的柔性光子學(xué)具有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾、以及并行處理等優(yōu)點(diǎn)，有望進(jìn)一步推進(jìn)人造智能皮膚的發(fā)展。 

          在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)所光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙永生研究員課題組近年來一直致力于有機(jī)光子學(xué)材料，特別是有機(jī)激光材料方面的研究工作。他們前期的研究工作表明，有機(jī)激光器的輸出信號(hào)對(duì)光、熱、化學(xué)等刺激具有非常靈敏的反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121; Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700; Adv. Mater. 2017, 29, 1701558; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15992-15996），有望用于高靈敏的傳感器件構(gòu)筑。同時(shí)，他們還一直探索柔性有機(jī)激光材料的可控制備（Sci. Adv. 2015, 1, e1500257; Nat. Commun. 2019, 10, 870; Sci. China Mater. 2021, DOI: 10.1007/s40843-021-1664-0; Acc. Mater. Res. 2021, 2, 340-351），為最終實(shí)現(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎(chǔ)。 

圖1 基于有機(jī)微納激光陣列實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的概念示意圖 

          結(jié)合有機(jī)激光材料在高靈敏傳感和可控加工等方面的優(yōu)勢(shì)，趙永生課題組首次提出了基于柔性有機(jī)微納激光陣列實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的新思路（圖1）。其中基于有機(jī)激光陣列的大規(guī)模柔性光子學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑是實(shí)現(xiàn)人造光子皮膚的關(guān)鍵所在。針對(duì)此問題，他們發(fā)展了一種雙層電子束直寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全有機(jī)柔性微腔激光陣列的大規(guī)模制備，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于耦合腔結(jié)構(gòu)的光子學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終展示了其類皮膚的機(jī)械傳感應(yīng)用。他們利用該技術(shù)，在柔性聚合物襯底上大規(guī)模制備了三維支撐型有機(jī)微盤結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以有效地抑制光場向襯底的泄露，賦予微盤腔強(qiáng)光學(xué)限域能力，還可以有效地抑制襯底應(yīng)力對(duì)微盤腔光子學(xué)性能的干擾，賦予微盤腔優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性?；谥涡臀⒈P結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低閾值高韌性的柔性微激光陣列，可以用作高性能傳感信號(hào)源。 

          他們進(jìn)一步將這樣的微盤構(gòu)筑成了耦合微盤腔，實(shí)現(xiàn)了單模激光輸出，顯著地增強(qiáng)了傳感信號(hào)的可辨識(shí)度與準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，他們將一個(gè)懸浮微米線波導(dǎo)集成到耦合微腔上，構(gòu)筑了對(duì)柔性襯底形變響應(yīng)的傳感單元，并用于人體運(yùn)動(dòng)探測(cè)。作為一種概念性的光子皮膚展示，他們將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實(shí)現(xiàn)了多種手勢(shì)的識(shí)別（圖2）。原則上，所有伴有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的人體動(dòng)作都可以用柔性耦合線-盤傳感芯片進(jìn)行識(shí)別。這種新型柔性光子學(xué)芯片在人的本體感覺重構(gòu)，人機(jī)交互和機(jī)器人自保護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 

         相關(guān)結(jié)果于近期發(fā)表在Sci. Adv. 2021, 7, eabh3530上。文章第一作者是張春煥博士和董海云博士，通訊作者是趙永生研究員。 

圖2 基于柔性有機(jī)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別 

新聞連接：http://www.iccas.ac.cn/xwzx/kyjz/202108/t20210806_6153245.html

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