中科院化学所Science Advances：科幻味爆棚的人造智能光子皮肤，未来近在咫尺

柔性、激光、智能、光子、皮肤，这几个看起来毫不相关的词汇组合起来，一股浓浓的科幻味油然而生，电影中外表与真人无异、内部却是各种金属塑料和线缆的仿生人形象跃然眼前。

来自电影机械姬 Ex MachinaEx Machina

而仿生机器人若想看起来更像人类，关键是看外表的那层皮。

人造智能皮肤是什么？中科院这么解释到：

“人造智能皮肤是指能够模仿或增强人体皮肤功能的柔性功能元器件，在健康监测、人机交互、增强现实、义肢和仿生机器人等领域有重要应用”。

在以往，人们基于柔性电子学已经实现了各种各样的电子皮肤，比如2017年清华大学的研究人员就开发了两款用石墨烯高灵敏应变传感单元打造的多功能电子皮肤, 一款可以通过快速变色来探测细微的应变，一款可以则贴合人体探测脉搏。

而如今，在柔性光子学的加持下，人造智能皮肤在功能上实现了质的飞跃。

近日，中科院化学研究所的赵永生教授课题组在Science Advances上发表了题为“基于柔性有机微激光阵列的光子皮肤”的研究，在光子皮肤芯片上对作为传感单元的有机微激光阵列进行大规模处理，让我们来一探究竟。

柔性光子学，它以光子作为信号载体，具有非侵入性、超灵敏性、无电磁干扰，以及并行处理等优点，灵活的光子可以实现超出其电子能力范围的大量应用，如片上柔性波导、腔体和滤波器，这种柔韧的光子器件在光调制和光学传感方面表现出非凡的性能，可进一步推进人造智能皮肤的发展，实现人造光子皮肤。

若要实现类似真人皮肤中无处不在的神经突触的传感功能，对于人造光子皮肤，关键是开发出大规模灵活的光传感器网络。而以微腔激光器为基础的柔性微激光阵列，其光输出对环境扰动非常敏感，可以集成在柔性基板上检测机械变形，贴在人体上后，从而可将人体动作转换为激光输出信号的变化来进行手势识别。

图1 基于有机微激光阵列的人造光子皮肤。柔性基板的变形可以影响有机微腔激光器的光信号耦合效率，从而可以对局部变形进行空间分辨检测，比如识别手势动作。

研究人员提出了一种制造大规模柔性微激光阵列的策略，并展示了它们作为人造光子皮肤原型的功能。为了在柔性基板上一步实现制造3D柱支撑的有机微盘阵列，开发了一种双层电子束直写（EBDW）方法，从而实现了由耦合腔单模激光源组成的柔性机械传感器网络。

这个支撑微盘的3D支柱，通过抑制来自基板的应变干扰，可赋予微盘腔高机械强度，因此可以作为灵活的微盘激光器，为机械传感提供可靠的信号。

图2 大规模有机柔性光子芯片的制作

通过制造耦合微盘谐振器实现单模激光，显着提高了传感信号的准确性和可识别性。进一步制造低损耗微线波导并与单模微激光器集成，从而构建了可以响应基板局部变形的传感单元。

图3 有机光子柔性机械传感器单元的工作原理

如上图，微盘和微线波导之间的间隙会随着基板的弯曲而变化，从而影响了两者的耦合效率，这最终决定了微线尖端的激光输出强度。根据输出强度的变化，柔性耦合线盘传感器可以检测柔性芯片中的机械变形。 

在此基础上，研究人员展示了基于构建的大规模柔性光子芯片的机械光子调制和手势识别应用。

图4 有机光子柔性机械传感器识别手势原理

将这种人造的柔性光子皮肤附着在模型手上，当手指弯曲时，位于指关节区域的光机械传感器会显示出耦合效率改变导致的信号变化。过测量这种信号变化，与手指伸展时的原始信号强度进行归一化处理后，研究人员就可以根据不同信号的强弱，推断出柔性芯片的变形，从而判断出手指的运动，实现真正的手势识别。

原则上，所有伴有关节运动的人体动作都可以用这种柔性光机械传感芯片进行精准识别。或许不久的将来，指哪打哪的人体识别将迅速投入使用。

这项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扩展结构的重大进步，从而为将智能光子皮肤应用于实际应用铺平了道路，在人机交互和机器人动作识别以及自保护等领域具有广泛的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abh3530

本文由Silas供稿。