人造智能皮膚是指能夠模仿或增強人體皮膚功能的柔性功能元器件，在健康監(jiān)測、人機交互、增強現(xiàn)實、義肢和仿生機器人等領域有重要應用。柔性電子學在人造智能皮膚設計方面已取得進展，而以光子作為信號載體的柔性光子學具有非侵入性、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。

　　近年來，中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室研究員趙永生課題組致力于有機光子學材料、有機激光材料的相關研究工作。前期研究表明，有機激光器的輸出信號對光、熱、化學等刺激具有非常靈敏的反應（J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.），有望用于構(gòu)筑高靈敏傳感器件。該團隊探索柔性有機激光材料的可控制備（Sci. Adv.、Nat. Commun.、Sci. China Mater.、Acc. Mater. Res.），為最終實現(xiàn)具有傳感功能的柔性光子皮膚奠定了基礎。

　　結(jié)合有機激光材料在高靈敏傳感和可控加工等方面的優(yōu)勢，趙永生課題組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（圖1）。基于有機激光陣列的大規(guī)模柔性光子學傳感網(wǎng)絡的設計和構(gòu)筑是實現(xiàn)人造光子皮膚的關鍵。針對這一問題，研究人員發(fā)展出一種雙層電子束直寫技術，實現(xiàn)了全有機柔性微腔激光陣列的大規(guī)模制備，進而設計了基于耦合腔結(jié)構(gòu)的光子學傳感器網(wǎng)絡，展示了其類皮膚的機械傳感應用?？蒲腥藛T利用該技術，在柔性聚合物襯底上大規(guī)模制備了三維支撐型有機微盤結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以有效地抑制光場向襯底的泄露，賦予微盤腔強光學限域能力，并可以有效地抑制襯底應力對微盤腔光子學性能的干擾，賦予微盤腔優(yōu)異的機械穩(wěn)定性?；谥涡臀⒈P結(jié)構(gòu)，該研究實現(xiàn)了低閾值高韌性的柔性微激光陣列，可用作高性能傳感信號源。

　　研究人員進一步將這樣的微盤構(gòu)筑成耦合微盤腔，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。在此基礎上，科研團隊將一個懸浮微米線波導集成到耦合微腔上，構(gòu)筑了對柔性襯底形變響應的傳感單元，并用于人體運動探測。作為一種概念性的光子皮膚展示，研究團隊將柔性耦合線-盤傳感芯片貼附在人手模型上，實現(xiàn)了多種手勢的識別（圖2）。原則上，所有伴有關節(jié)運動的人體動作都可以用柔性耦合線-盤傳感芯片進行識別。這種新型柔性光子學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)等領域具有廣泛的應用前景。

　　近日，相關研究成果發(fā)表在Science Advances上。研究工作得到國家自然科學基金、科技部和中科院的支持。

圖1 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

圖2 基于柔性有機傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)手勢識別