基于有機微納激光陣列實現(xiàn)人造光子皮膚的概念示意圖。受訪者供圖

　　最近，馬斯克宣稱特斯拉將出品“人型機器人”的消息不脛而走。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(guān)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(xué)院化學(xué)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(guān)節(jié)活動。

　　這是該所研究員趙永生帶領(lǐng)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(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”實現(xiàn)了這一思路，創(chuàng)新性地設(shè)計出“三維支撐性微盤結(jié)構(gòu)”，最終展示了其類皮膚的機械傳感應(yīng)用。近日，這項成果發(fā)表在《科學(xué)—進展》上。

　　　　采用新材料 

　　健康監(jiān)測、人機交互、增強現(xiàn)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(dāng)前，繼利用柔性電子學(xué)原理設(shè)計的人造智能皮膚已經(jīng)取得長足進展后，柔性光子學(xué)原理成為吸引科學(xué)家關(guān)注的新方向。

　　“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，有望進一步推進人造智能皮膚的發(fā)展。”長期致力于有機激光材料研究的趙永生告訴《中國科學(xué)報》。

　　據(jù)了解，有機激光材料是一種具有潛力的新材料，在受到激發(fā)時會“升級”成“激發(fā)態(tài)”，產(chǎn)生激光信號。同時，有機材料具有柔性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等優(yōu)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(xué)等刺激具有非常靈敏的反應(yīng)，有望用于高靈敏的傳感器件構(gòu)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(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎(chǔ)。

　　　　“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(xiàn)人造光子皮膚”的新思路。為了實現(xiàn)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(gòu)筑“陣列”面臨嚴重的技術(shù)困難，在硅基材料加工領(lǐng)域相對成熟的光刻技術(shù)對于絕大多數(shù)的有機材料很難適用。為此，他們發(fā)展了“雙層電子束直寫技術(shù)”，相當(dāng)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(shù)是一種具有高分辨率、高靈活性的圖形加工技術(shù)，已經(jīng)在納米材料及其器件制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。據(jù)了解，這是科學(xué)家第一次采用這項技術(shù)來制作光子皮膚。

　　在業(yè)內(nèi)專家看來，基于有機激光陣列的大規(guī)模柔性光子學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和構(gòu)筑是實現(xiàn)人造光子皮膚的關(guān)鍵所在。

　　　　“微盤結(jié)構(gòu)”創(chuàng)新 

　　在“寫”“陣列”的過程中，科研人員還發(fā)明了一種特殊的結(jié)構(gòu)。“如果把有機微納激光器平整地‘貼’在柔性的‘皮膚’上，隨著關(guān)節(jié)活動它可能會發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)碎裂和變形，這樣會對光子學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。”趙永生解釋。

　　為此，他們設(shè)計出一種三維的“支撐型微盤結(jié)構(gòu)陣列”。實驗證明，該結(jié)構(gòu)能夠維持“皮膚”的機械穩(wěn)定性，不受關(guān)節(jié)活動影響。同時，它還可以有效抑制光場向襯底的泄漏，讓微盤腔具有較強的光學(xué)限域能力。

　　正是基于支撐型微盤結(jié)構(gòu)，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(gòu)筑成了“耦合微盤腔”，實現(xiàn)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(chǔ)上，他們還將一個懸浮微米線波導(dǎo)集成到耦合微腔上，構(gòu)筑了對柔性襯底形變響應(yīng)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(xiàn)了多種手勢的識別。據(jù)稱，原則上，所有伴有關(guān)節(jié)運動的人體動作都可以用該類芯片進行識別。

　　專家表示，這種新型柔性光子學(xué)芯片在人的本體感覺重構(gòu)、人機交互和機器人自保護系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abh3530