第一作者： Yidan Chen, Shu Wang, Xilu Ye（共同第一作者） 通讯作者： Lingyi Lan 主要研究机构： 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江省农业智能传感与机器人重点实验室 发表期刊： Nature Communications 发表时间： 2026年
人类指尖皮肤通过其独特的“表皮-真皮”互锁结构和密集分布的触觉感受器（如感知轻触的默克尔盘受体（Merkel disk receptors）和感知深层形变的鲁菲尼末梢（Ruffini endings）），实现了精妙的触觉感知。真皮层可被视为由胶原蛋白、弹性蛋白和透明质酸组成的复合水凝胶，赋予了皮肤强度和弹性。这种复杂的生物构造为电子皮肤（e-skin）的设计提供了蓝图。然而，现有的大多数电子皮肤材料，主要基于聚合物薄膜或离子弹性体（ionic elastomers），未能从成分、结构到功能上实现层级化的仿生整合，难以完全复制真实皮肤环境。
针对这一局限性，该研究的核心目标是开发一种能够逐步模拟真皮成分、结构和功能的电子皮肤，以实现类皮肤的机械性能和增强的触觉感知能力。具体而言，研究旨在通过设计一种仿生凝胶（biomimic gel）材料，并结合模仿真皮乳头（dermal papillae）的微结构，构建一种高性能的离子电子（iontronic）压力传感器，并最终将其集成为阵列应用于灵巧机械手，实现精确的触觉反馈。
该研究的工作流程主要包含四大步骤：仿生凝胶材料的设计与制备、离子电子传感器的构建与性能测试、手形传感器阵列的制造与集成，以及触觉感知系统的开发与验证。
1. 仿生凝胶（GSM Biogel）的设计与表征
研究团队从真皮细胞外基质获得灵感，选取明胶（gelatin）、乳酸钠（sodium lactate, SL）和蒙脱土（montmorillonite, MMT）纳米片这三种成分来制备GSM仿生凝胶。明胶因其多肽链可自组装成类似天然胶原蛋白的三螺旋结构，作为基质。SL作为一种天然保湿因子，通过其羧基与明胶氨基之间的离子交联（ionic crosslinking）增强机械强度和水合作用。MMT纳米片则通过静电相互作用提供额外的非共价交联，进一步提升韧性。此外，MMT层间丰富的可解离钠离子（Na⁺）可作为电荷载体，贡献离子导电性。
材料的制备与优化过程如下：首先，研究人员制备了纯明胶水凝胶（gelatin hydrogel）、明胶-乳酸钠凝胶（GS biogel）和明胶-乳酸钠-蒙脱土凝胶（GSM biogel）。通过对比拉伸测试，发现加入SL和MMT后，生物凝胶的弹性模量从11.41 kPa显著提升至1.40 MPa，拉伸应力从46.95 kPa提升至1.88 MPa，达到了真实皮肤（0.1–2 MPa）的水平。利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析证实，这种增强源于SL、MMT与明胶网络间形成的增强型离子交联和氢键（hydrogen bond）网络。通过对不同MMT浓度的优化，发现当MMT含量为0.5 wt%时，凝胶在机械性能和离子电导率之间达到了最佳平衡。过多的MMT会导致聚集，形成应力集中点并阻碍离子传输。同时，SL被证实能显著提高凝胶的水分保持能力，最佳浓度为20 wt%，过饱和则会导致表面液滴析出。
研究还揭示了凝胶在达到平衡状态过程中的关键结构演变。在22°C、60%相对湿度下平衡12小时后，差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）分析表明，明胶链逐渐形成更多的三螺旋结构和稳定的三维蛋白网络，导致结晶度增加，玻璃化转变温度（Tg）从34.7°C升至46.7°C。因此，所有后续测试均使用平衡后的凝胶，以确保性能稳定。
2. 离子电子传感器的构建与性能评估
模仿指尖皮肤的真皮乳头结构，研究者采用砂纸（sandpaper）作为模板，在生物凝胶表面复制出分级可填充的微结构，以增加接触面积。随后，采用仿生设计策略，构建了“电极-微结构凝胶-电极”的离子电子传感器。具体结构为：将微结构化的GSM生物凝胶夹在两个铜/聚对苯二甲酸乙二醇酯（Cu/PET）电极之间，并用500微米厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）环作为间隔物，再用100微米厚的PDMS薄膜封装以保持水合稳定性。
实验结果表明，这种仿生设计对性能提升至关重要。无微结构的传感器灵敏度为13.5 kPa⁻¹，而仅引入微结构后，灵敏度提升至213.7 kPa⁻¹。单独添加0.5 wt% MMT也能将灵敏度提升至17.2 kPa⁻¹。当微结构和MMT协同作用时，传感器的性能达到最优，在小于18.6 kPa的压力范围内实现了466.3 kPa⁻¹的超高灵敏度，并在18.6–2000 kPa的超宽量程内保持多级灵敏度（86.0和27.2 kPa⁻¹）。此外，传感器的检测下限（Limit of Detection, LoD）达到20 Pa，响应/恢复时间为48/57毫秒，并展现了优异的循环稳定性。研究人员通过有限元仿真（Finite Element Simulation）和等效电路分析阐明了其工作机制：在低压下，应力集中于微结构尖端，形成快速增大的界面双电层（Electrical Double-Layer, EDL）电容，贡献了极高的初始灵敏度；随着压力增加，变形扩展到微结构侧壁，接触面积持续增长；在高压区，传感机制转为受凝胶体压缩模量主导。
3. 手形离子电子传感器阵列的设计与制造
为模拟人手的触觉能力，研究团队设计并制造了一个可无缝贴合灵巧机械手的手形传感器阵列。阵列设计根据抓取时的主要接触区域，在每个指尖布置1×2个传感单元，在手掌布置3×3个传感单元。其制造工艺包含多项创新：采用丝网印刷技术将可拉伸银浆印刷在热塑性聚氨酯（TPU）基材上，形成圆形传感电极、蛇形可拉伸导线和方形耐磨单元，并利用PET固定盘和PDMS间隔物构建了“岛-桥”结构（”island-bridge” structure）。这种设计将应变隔离在蛇形导线区域，有效保护了传感材料免受机械应变干扰，使其能承受高达60%的拉伸应变。同时，通过在单个阵列中采用独立生物凝胶单元与PDMS间隔物结合的设计，实现了66.02 dB的高通道串扰抑制比（Crosstalk Rejection Ratio, CRR）。
4. 集成触觉感知系统的开发与验证
最后，研究团队将上述传感器阵列集成到一个由六轴工业机械臂和六自由度灵巧手组成的机器人系统中，并构建了一个包含信号采集硬件、微控制器单元（MCU）和上位机可视化软件的完整触觉识别系统。该系统采用由干簧继电器（reed relays）和移位寄存器组成的电路，结合顺序扫描策略，进一步抑制了信号串扰。
基于此系统，研究者进行了系列应用验证。首先，通过单指按压实验测试了猕猴桃、芒果等四种不同成熟度的跃变型水果，结果显示传感器峰值信号与质地分析仪测得的弹性模量高度相关，证明了其无损评估水果成熟度的能力。接着，通过对多种形状和大小的水果（如梨、樱桃、芒果）进行自适应抓取，获取了清晰的实时多通道压力热力图，展示了系统区分物体形状和大小的能力。最终，利用该系统抓取不同成熟度的桃子，提取了包括均值、标准差、峰度等在内的多维特征，构建了触觉分类-水果成熟度模型（Tactile Classification-Fruit Ripeness Model, TC-FRM）。通过比较支持向量机（SVM）、随机森林（RF）等多种监督学习模型，发现RF模型表现最佳，交叉验证（Cross-Validation）得分达0.9692，内、外部测试准确率均达100%，能够实时、准确地区分桃子的硬度级别。
本研究成功开发了一种先进的仿生电子皮肤，通过层级化的材料设计、微结构工程和异质封装技术，实现了对人类皮肤结构和功能的深度模拟。研究的科学价值在于，它首次清晰地展示了通过分子间相互作用（离子交联与氢键）的协同调控，能够制备出媲美真实皮肤机械性能与水合特性的仿生水凝胶，并将材料本征特性（离子导电性）与结构设计（微结构）有机结合，阐明了提升传感器灵敏度与量程的内在耦合机制。在应用价值上，该工作不仅提供了一个集高灵敏度、宽量程、快速响应和可拉伸性于一体的传感器阵列制造方法，还展示了结合机器学习实现智能触觉感知的完整闭环系统，为下一代人形机器人、先进假肢以及人机交互等领域提供了通用而强大的平台。