基于界面调控的离子p-n结的仿生被动机械转导机制

自然皮肤感受器使用离子作为信号载体，而大多数开发的人工触觉传感器则使用电子作为信息载体。为了模仿生物离子感知行为，我们提出了一种仿生的、离子的、完全被动的机械转导机制，利用微通道对界面离子p-n结（IPNJ）的机械调制。基于该机制的传感器不依赖外部电源，并能够将外部触觉刺激编码为与自然皮肤感受器高度类似的信号输出，既包括信号类型（即离子电位差）又包括信号强度（约120 mV）。更重要的是，即时的界面IPNJ调控特性使得这些传感器在性能上优于最先进的压电离子传感器，包括检测限低至0.01 N，快速响应/恢复速度（16 ms/16 ms），超低功耗（皮瓦级），优异的重现性（超过100,000次循环），以及良好的解析静态和动态机械刺激的能力。作为示范，在集成在机器人手上的传感器上成功展示了机器学习辅助的高精度（超过99%）表面纹理识别和物体分类。这项工作丰富了机械感测机制的家族，并为模仿自然触觉感知系统在智能皮肤、人工假肢和智能机器人中提供了一条路径。