基于纤维织物的电子皮肤概念图

基于液态金属的柔性可拉伸电子皮肤系统

无线、无芯片、无电池的光电交互织物电子皮肤

东华大学先进纤维材料全国重点实验室 王宏志教授 侯成义研究员 季天一博士生

在科幻电影中，机器人总能准确地照顾好主人的饮食起居，或是英勇地穿越火场拯救生命。如今，随着具身智能概念的蓬勃发展，这些场景正从银幕走向现实。具身机器人不再只是机械臂与传感器的简单组合，它们需要像人类一样感知温度、压力甚至材质。而这一切的核心，正是被称为“电子皮肤”的新型感知界面。

然而，传统电子皮肤的发展正面临严峻瓶颈。现有的以硅基材料为主的刚性传感器阵列，虽然能实现近微米级的空间分辨率，却难以适应机器人复杂的运动需求：当搭载于机械手指关节时，这些硬质材料会在反复弯曲中产生疲劳断裂；在机器人躯干等大曲率表面，二维分布的传感器更是会出现“信号盲区”。更关键的是，现有电子皮肤多为单一功能设计：压力传感器无法感知温度，温敏元件又对剪切力无响应——这与人类皮肤多模态融合的感知机制相去甚远。

这种局限性在极端环境下更为凸显。消防机器人在高温环境中作业时，硬质传感器的电阻值会因温度漂移而失真；医疗康复机器人长期与人体接触，硬质外壳容易造成压疮。即便是最先进的仿生手，其指尖的刚性力传感器也无法分辨丝绸与化纤的区别，因为这些材料在相同压力下产生的信号几乎一致。这些痛点催生了一场材料革命：科学家们开始将目光投向人类最古老的发明之一——纺织品。

由一根根极细的纤维组成的纺织品有着低模量纤维网络、微米级立体孔隙、经纬交织拓扑结构。这些本征优势决定其能成为电子皮肤的合适载体，并可搭载于机器人的各个关节，对力学、温度等指标进行精确感知。

当纤维成为“神经末梢”

在东华大学先进功能材料课题组，一场关于“智能纺织品”的跨界实验正在进行。科研团队将智能材料与纺织技术结合，创造出了兼具感知能力和穿戴适配性的电子皮肤。

在执行救援任务等动态场景中，硬质的传统传感器会大大影响机器人的灵活性，且传感信号也会产生极大误差。科研人员们创新性地将碳纳米管薄膜加捻成纤维，并将纤维进行p型和n型改性制成一体式热电纤维。这种纤维可以作为机器人的温度感受器，当纤维两端存在温差时，回路中会产生电动势。研究团队进一步采用编织工艺将热电纤维编成腕带，腕带在拉伸、弯曲等多种应用场景下仍能保持信号稳定，这解决了刚性传感器在动态场景中信号失真的痛点。

刺绣出来的“触觉神经网络”

要让机器人像人类手指一样感知细微压力，需要解决传感器高密度与柔性的矛盾。研究团队另辟蹊径，将摩擦发电传感纤维通过数控刺绣技术绣进纺织品。当机器人手套抓握物体时，这些微米级纤维会因接触带电效应产生脉冲信号——压力越大，电荷转移量越高。

在康复机器人领域，这种织物电子皮肤更展现出了独特优势：我们可以想象一位中风患者佩戴搭载该技术的康复手套后，机械臂能根据其握力衰减自动调节辅助力度。通过织物编织结构的设计，团队使织物电子皮肤在保持0.1mm—1mm的超低曲率力学分辨率的同时，透气性与普通棉布无异。这意味着患者可以连续佩戴多小时而不产生闷热感，实现了“无感化”人机交互。

突破冯·诺依曼架构的“智能纤维”

传统电子皮肤需要将传感信号传输至中央处理器，这种“感知—传输—计算”的串行模式导致延迟高、能耗大。研究团队2024年发表于《Science》（科学）杂志上的论文展示了一种颠覆性方案：采用“人体耦合”机制，在单根纤维中实现了传感、反馈与无线通信功能。

这种纤维内部包含电场敏感型介电发光材料，利用交互对象本身来耦合周围的电磁能量，并将纤维与交互对象之间的束缚电荷从束缚态向辐射态切换，以实现传感信号的无线发射。这种集成设计策略使纺织品摆脱了芯片、电池和其他任何刚性组件的束缚，使得电子设备的诸多功能被集成到一根柔软的纤维中。

未来：从实验室到实用场景

在可见的未来，消防机器人的织物皮肤将集成温度、毒气、辐射等多模态传感器；手术机器人通过纳米纤维感知组织弹性差异，避免损伤神经；甚至太空服内衬的智能织物也能自主调节散热，为宇航员构建第二层“皮肤”。

东华大学团队提出的“纤维即芯片”理念，正在改写电子皮肤的研发范式。正如团队导师所言：“通过衣物，机器人也能像人类一样感知世界时，人机协作的最后一道屏障将被真正打破。”在这场感知革命中，传承千年的纺织技艺与现代科技的碰撞，或许正孕育着下一代人机交互的黄金范例。