最近，馬斯克宣稱特斯拉將出品“人型機器人”的消息受到關注。不管特斯拉的“人形機器人”到底如何，只要是個機器人，它就不光要有人的外形，關鍵還得像真正的人一樣擁有觸覺、溫覺和痛覺——它需要有感覺的皮膚。
在中國科學院化學研究所的實驗室中，科研人員讓一只人手模型擺出不同的手勢，貼在模型上的傳感芯片感受到了手指的關節活動。
這是該所研究員趙永生帶領的科研團隊研制出的最新款人造光子皮膚。這項工作首次提出用柔性有機激光材料制備出具有傳感功能的激光陣列的思路，并發展了“雙層電子束直寫技術”實現了這一思路，創新性地設計出“三維支撐性微盤結構”，最終展示了其類皮膚的機械傳感應用。近日，這項成果發表在《科學-進展》上。
采用新材料
健康監測、人機交互、增強現實、義肢、仿生機器人……許多酷炫的新科技都需要模仿或者增強人的皮膚功能，“人造智能皮膚”前景光明。當前，繼利用柔性電子學原理設計的人造智能皮膚已經取得長足進展后，柔性光子學原理成為吸引科學家關注的新方向。
“光子學有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾以及并行處理等優點，有望進一步推進人造智能皮膚的發展。”長期致力于有機激光材料研究的趙永生告訴《中國科學報》。
據了解，有機激光材料是一種具有潛力的新材料，在受到激發時會“升級”成“激發態”，產生激光信號。同時，有機材料具有柔性、結構可設計等優勢。因此，用這類新材料制備人造光子皮膚成為一項絕佳選擇。
前期工作中，趙永生團隊圍繞有機激光材料開展了深入研究。一系列研究工作表明，有機激光器的輸出信號對光、熱、化學等刺激具有非常靈敏的反應，有望用于高靈敏的傳感器件構筑。同時，他們還致力于探索柔性有機激光材料的可控加工，為最終實現具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎。
“寫”出“陣列”
在最新的這項工作中，科研人員首次提出了“基于柔性有機微納激光陣列實現人造光子皮膚”的新思路。為了實現靈敏感知的功能，他們在透明的聚合物襯底上對許多微型有機微納激光器進行“排兵布陣”。類似于電子屏幕上像素點越多分辨率就越高，激光器越多，則光子皮膚的“感覺”越細膩。
想要在類似皮膚的柔性襯底上構筑“陣列”面臨嚴重的技術困難，在硅基材料加工領域相對成熟的光刻技術對于絕大多數的有機材料很難適用。為此，他們發展了“雙層電子束直寫技術”，相當于用一種特殊的“筆”把有機激光材料“寫”在襯底上。
電子束直寫技術是一種具有高分辨率、高靈活性的圖形加工技術，已經在納米材料及其器件制造領域具有廣泛應用。據了解，這是科學家第一次采用這項技術來制作光子皮膚。
業內專家看來，基于有機激光陣列的大規模柔性光子學傳感網絡的設計和構筑是實現人造光子皮膚的關鍵所在。
基于有機微納激光陣列實現人造光子皮膚的概念示意圖（研究團隊供圖）
“微盤結構”創新
在“寫”“陣列”的過程中，科研人員還發明了一種特殊的結構。“如果把有機微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關節活動它可能會發生不可逆的結構碎裂和變形，這樣會對光子學性能產生不利影響。”趙永生解釋。
為此，他們設計出一種三維的“支撐型微盤結構陣列”。實驗證明，該結構能夠維持“皮膚”的機械穩定性，不受關節活動影響。同時，它還可以有效抑制光場向襯底的泄露，讓微盤腔具有較強的光學限域能力。
至此，正是基于支撐型微盤結構，可以用作高性能傳感信號源的柔性微激光陣列得以完成。
最后，科研人員進一步將這樣的微盤構筑成了“耦合微盤腔”，實現了單模激光輸出，顯著地增強了傳感信號的可辨識度與準確度。在此基礎上，他們還將一個懸浮微米線波導集成到耦合微腔上，構筑了對柔性襯底形變響應的傳感單元，并用于人體運動探測。
概念性光子皮膚展示實驗中，科研人員將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實現了多種手勢的識別。據稱，原則上，所有伴有關節運動的人體動作都可以用該類芯片進行識別。
基于柔性有機傳感網絡實現手勢識別（研究團隊供圖）
專家表示，這種新型柔性光子學芯片在人的本體感覺重構，人機交互和機器人自保護系統等領域具有廣泛的應用前景。
論文第一作者是中國科學院化學研究所張春煥博士和董海云博士，通訊作者為趙永生研究員。（甘曉）
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