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  近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳忠教授、廖新勤副教授聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)鄭元謹(jǐn)教授、北京科技大學(xué)廖慶亮教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊《Nature Communications》上發(fā)表題為《A hyperconformal dual-modal metaskin for well-defined and high-precision contextual interactions》的研究論文。團(tuán)隊(duì)受人類體感系統(tǒng)啟發(fā)，提出了一種超保形雙模態(tài)“Metaskin”（超膚）策略，通過在單通道內(nèi)利用信號(hào)極性差異解耦了本體感受（應(yīng)變）與觸覺（接觸），成功在電子皮膚中復(fù)現(xiàn)了類似于人類的“上下文”交互感知能力。

  人機(jī)交互是連接數(shù)字世界與物理世界的橋梁。然而，現(xiàn)有的可穿戴電子設(shè)備往往受限于體積龐大或剛性結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)真正的無感佩戴。更關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于，肢體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的巨大應(yīng)變信號(hào)往往會(huì)淹沒微弱的觸覺信號(hào)，這種機(jī)械串?dāng)_導(dǎo)致傳統(tǒng)傳感器難以像人類皮膚一樣，在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)精準(zhǔn)感知外部接觸，無法理解動(dòng)作背后的上下文意圖。所謂“上下文”，通俗理解就是決定動(dòng)作具體含義的語(yǔ)境或前置條件：就像同一個(gè)單詞在不同的句子中代表完全不同的意思。類比而言，單獨(dú)的觸碰信號(hào)如果沒有肢體姿態(tài)等背景信息作為輔助，機(jī)器就無法判斷用戶此刻真正的操作目的。而能夠?qū)⑸舷挛男畔⒑椭噶钚畔⑼瑫r(shí)融入在自然的人體運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器就能夠獲得更加智能的人類意圖理解。

  本研究從人類體感系統(tǒng)的神經(jīng)機(jī)制中獲得靈感：即本體感受（感知肢體位置）與外感受（感知觸覺）雖然通過不同神經(jīng)通路傳輸，但在大腦中進(jìn)行時(shí)空整合以形成情境意識(shí)。廖新勤團(tuán)隊(duì)利用超薄親水性聚氨酯薄膜與水基銀納米復(fù)合材料構(gòu)建了厚度僅為10微米的HDM Metaskin。該器件不僅能緊密貼附皮膚紋理（~10微米），更創(chuàng)新性地利用“應(yīng)變致電阻升高”與“接觸致電阻降低”的相反信號(hào)極性，在物理層面實(shí)現(xiàn)了雙模態(tài)信號(hào)的解耦與重構(gòu)。

圖1. 類似于人類感知功能的HDM metaskin：融合本體感受與觸覺，通過超薄結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無感佩戴與信號(hào)解耦。

  研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種無應(yīng)變轉(zhuǎn)印策略，利用不同界面的表面能差異，將預(yù)先打印好的銀納米復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)無損地轉(zhuǎn)移至皮膚表面。這種超保形界面極大降低了接觸熱阻與機(jī)械阻抗，使得Metaskin在經(jīng)歷反復(fù)摩擦（2N, 30m）、高濕（90% RH）及溫度變化（25-60°C）等惡劣環(huán)境下仍能保持優(yōu)異的電學(xué)穩(wěn)定性。

圖2. 超保形界面的構(gòu)建與單通道雙模態(tài)信號(hào)的物理定義：利用相反的電阻變化趨勢(shì)區(qū)分拉伸與觸摸。

  尤為重要的是，此項(xiàng)技術(shù)通過時(shí)域差分算法與機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，賦予了電子皮膚“理解上下文”的能力。研究展示了其在多個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用：在六足機(jī)器人控制中，手腕的彎曲狀態(tài)定義了機(jī)器人的行動(dòng)模式（上下文），而手指的觸控則精確導(dǎo)航方向（指令）；在空氣擊鼓演示中，握持姿態(tài)決定了樂器種類，揮動(dòng)動(dòng)作觸發(fā)鼓聲。此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了“Bi-code”雙指輸入法，僅憑微小的指尖動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)全鍵盤盲打。

圖3. 基于Metaskin的上下文交互應(yīng)用：機(jī)器人自適應(yīng)導(dǎo)航、Bi-code無感打字。

  廖新勤團(tuán)隊(duì)主要探索電子皮膚在人機(jī)交互及具身智能領(lǐng)域的科學(xué)理論與應(yīng)用前景。論文第一作者為廈門大學(xué)博士生于世凡，工作得到了陳忠教授、鄭元謹(jǐn)教授、廖慶亮教授、郭自泉高級(jí)工程師的大力指導(dǎo)，廈門大學(xué)為第一通訊單位。該研究成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65624-z

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