中科院化學所Science Advances：科幻味爆棚的人造智能光子皮膚，未來近在咫尺

柔性、激光、智能、光子、皮膚，這幾個看起來毫不相關的詞匯組合起來，一股濃濃的科幻味油然而生，電影中外表與真人無異、內部卻是各種金屬塑料和線纜的仿生人形象躍然眼前。

來自電影機械姬 Ex MachinaEx Machina

而仿生機器人若想看起來更像人類，關鍵是看外表的那層皮。

人造智能皮膚是什么？中科院這么解釋到：

“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，在健康監測、人機交互、增強現實、義肢和仿生機器人等領域有重要應用”。

在以往，人們基于柔性電子學已經實現了各種各樣的電子皮膚，比如2017年清華大學的研究人員就開發了兩款用石墨烯高靈敏應變傳感單元打造的多功能電子皮膚, 一款可以通過快速變色來探測細微的應變，一款可以則貼合人體探測脈搏。

而如今，在柔性光子學的加持下，人造智能皮膚在功能上實現了質的飛躍。

近日，中科院化學研究所的趙永生教授課題組在Science Advances上發表了題為“基于柔性有機微激光陣列的光子皮膚”的研究，在光子皮膚芯片上對作為傳感單元的有機微激光陣列進行大規模處理，讓我們來一探究竟。

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柔性光子學，它以光子作為信號載體，具有非侵入性、超靈敏性、無電磁干擾，以及并行處理等優點，靈活的光子可以實現超出其電子能力范圍的大量應用，如片上柔性波導、腔體和濾波器，這種柔韌的光子器件在光調制和光學傳感方面表現出非凡的性能，可進一步推進人造智能皮膚的發展，實現人造光子皮膚。

若要實現類似真人皮膚中無處不在的神經突觸的傳感功能，對于人造光子皮膚，關鍵是開發出大規模靈活的光傳感器網絡。而以微腔激光器為基礎的柔性微激光陣列，其光輸出對環境擾動非常敏感，可以集成在柔性基板上檢測機械變形，貼在人體上后，從而可將人體動作轉換為激光輸出信號的變化來進行手勢識別。

圖1 基于有機微激光陣列的人造光子皮膚。柔性基板的變形可以影響有機微腔激光器的光信號耦合效率，從而可以對局部變形進行空間分辨檢測，比如識別手勢動作。

研究人員提出了一種制造大規模柔性微激光陣列的策略，并展示了它們作為人造光子皮膚原型的功能。為了在柔性基板上一步實現制造3D柱支撐的有機微盤陣列，開發了一種雙層電子束直寫（EBDW）方法，從而實現了由耦合腔單模激光源組成的柔性機械傳感器網絡。

這個支撐微盤的3D支柱，通過抑制來自基板的應變干擾，可賦予微盤腔高機械強度，因此可以作為靈活的微盤激光器，為機械傳感提供可靠的信號。

圖2 大規模有機柔性光子芯片的制作

通過制造耦合微盤諧振器實現單模激光，顯著提高了傳感信號的準確性和可識別性。進一步制造低損耗微線波導并與單模微激光器集成，從而構建了可以響應基板局部變形的傳感單元。

圖3 有機光子柔性機械傳感器單元的工作原理

如上圖，微盤和微線波導之間的間隙會隨著基板的彎曲而變化，從而影響了兩者的耦合效率，這最終決定了微線尖端的激光輸出強度。根據輸出強度的變化，柔性耦合線盤傳感器可以檢測柔性芯片中的機械變形。?

在此基礎上，研究人員展示了基于構建的大規模柔性光子芯片的機械光子調制和手勢識別應用。

圖4 有機光子柔性機械傳感器識別手勢原理

將這種人造的柔性光子皮膚附著在模型手上，當手指彎曲時，位于指關節區域的光機械傳感器會顯示出耦合效率改變導致的信號變化。過測量這種信號變化，與手指伸展時的原始信號強度進行歸一化處理后，研究人員就可以根據不同信號的強弱，推斷出柔性芯片的變形，從而判斷出手指的運動，實現真正的手勢識別。

原則上，所有伴有關節運動的人體動作都可以用這種柔性光機械傳感芯片進行精準識別。或許不久的將來，指哪打哪的人體識別將迅速投入使用。

這項科幻味爆棚的工作代表了高性能和低成本柔性光子芯片的可擴展結構的重大進步，從而為將智能光子皮膚應用于實際應用鋪平了道路，在人機交互和機器人動作識別以及自保護等領域具有廣泛的應用前景。

原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abh3530

本文由Silas供稿。