在充满未知与挑战的非结构化环境中工作的软体机器人，正从实验室走向广阔的真实世界。它们不仅需要具备感知环境的敏锐“触觉”，还必须拥有抵御物理损伤的坚固“铠甲”。然而，这却是一对难以调和的矛盾：实现高灵敏度的触觉传感需要材料的柔软与顺从，以确保微小的力信号能够被有效捕捉；而提供坚固的保护则需要材料具备足够的硬度和韧性，以抵抗尖锐物体的刺穿、切割和反复的机械损伤。传统的刚性外壳会彻底剥夺机器人的柔顺性，而现有的柔性传感器件又往往过于脆弱。那么，自然界中是否存在一种完美的模型，能将灵敏的感知、自由的变形与坚固的防护融为一体？答案是肯定的，它就存在于陆地最大动物——大象的象鼻之上。
大象的鼻子是一个生物工程的杰作，它不仅异常灵活，能完成抓握、拾取精细物体等复杂操作，其皮肤本身更是一种天然的“敏感装甲”。尽管象鼻皮肤厚达约15毫米，却能轻松实现30%的拉伸与压缩，这得益于其表面复杂的褶皱与皱纹结构。更重要的是，这层厚实的皮肤还能提供出色的保护，同时，皮肤内分布的大量机械感受器（mechanoreceptors）赋予了它极高的触觉灵敏度，使其在探索和操控物体时得心应手。这种将高强度、大变形与高灵敏度不可思议地结合在一起的特性，使其成为下一代先进“装甲皮肤”设计的绝佳灵感来源。
为了解决软体机器人与可穿戴设备在真实应用中防护与感知难以兼得的核心矛盾，一个由意大利理工学院（Istituto Italiano di Tecnologia）等机构组成的研究团队，从象鼻皮肤中汲取灵感，成功开发出一种仿象鼻装甲触觉传感皮肤。这项题为“The Elephant Trunk Skin Inspires a Highly Sensitive and Deformable, Yet Robust, Armor Skin”的研究成果，已发表在知名期刊《Advanced Science》上，为未来在人与机器人身上实现高防护、可变形与感知一体化的电子皮肤提供了突破性的解决方案。
为了构建这种仿生皮肤，研究人员运用了多项关键技术。首先，他们通过立体光刻3D打印技术制造模具，用以成型具有特定波浪褶皱结构的软基底。其次，采用优化配方的PDMS/TiO2 （聚二甲基硅氧烷/二氧化钛）复合材料作为基体，并通过掩膜辅助刮涂法，在其表面制备了环氧树脂/TiO2 /纳米粘土复合材料的刚性六边形岛阵列，该阵列通过氢键与软基底牢固结合。第三，在软基底的褶皱内部，集成了由透明PDMS波导、红外发光二极管和光电接收器构成的光学传感阵列，用于感知压力与应变。第四，通过在PDMS/TiO2 基体中定向排列PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维，以模拟胶原纤维增强结构。研究所用的自然象鼻皮肤样本来源于自然死亡于苏黎世动物园的成年非洲象，并遵循了CITES公约。
2.1 赋予软人造皮肤机械鲁棒性
为了增强皮肤的机械鲁棒性，研究从两个方面入手。纤维增强 ：在PDMS/TiO2 软基体中嵌入呈网状排列的PET纤维。实验表明，当纤维以50度角排列时，复合材料展现出最佳的韧性、可拉伸性及抗裂纹扩展能力，其韧性是无纤维皮肤的4.3倍。刚性岛阵列防护 ：受象鼻皮肤表层角质层岛状结构的启发，在皮肤表面设计并制备了六边形刚性岛阵列。该阵列由环氧树脂、TiO2 颗粒和纳米粘土复合制成，经过140°C后固化处理后，其抗穿刺临界力高达97.5 N，是无TiO2 岛屿的3倍。穿刺和切割测试表明，该阵列能有效阻止皮下注射针头穿刺（>13 N）和美工刀切割（>80 N），而裸露的软皮肤在2 N以下即被刺穿。
2.2 具备拉伸与压缩变形模式的装甲皮肤
为了实现大变形下的持续防护，研究引入了象鼻皮肤的核心特征——褶皱结构。变形能力 ：通过褶皱设计，皮肤在横向（侧向）实现了高达60%的拉伸应变和40%的压缩应变，其拉伸模量（58.3 kPa）和压缩模量（7.40 kPa）远低于平整皮肤。自适应防护 ：在压缩状态下，褶皱闭合，刚性岛屿紧密排列，提供全覆盖保护；在拉伸状态下，褶皱展开，隐藏的岛屿暴露出来继续提供防护，同时有效抑制了岛屿间软基体暴露面积的扩张，实现了变形与防护的自动适配。
2.3 具备光学压力与应变传感的装甲皮肤
研究采用光学传感方案实现触觉感知。传感机制 ：在褶皱的波峰和波谷处布置垂直的透明PDMS波导作为压力传感器，外部压力会改变波导的形变，从而调制其中传输的光强。在褶皱的斜坡处布置对角波导作为应变传感器，其对横向拉伸/压缩变形敏感，而对压力不敏感。传感性能 ：压力传感器可检测高达250 kPa的压力，应变传感器可检测-30%到+30%的横向应变，响应与恢复时间分别为90毫秒和50毫秒。皮肤能够实时区分并承受手指按压、针刺、刀压和脚踩等多种刺激，并在1000次加载-卸载循环中保持稳定响应。
2.4 大面积实时传感
为实现大面积、多模式信号同步采集，研究开发了定制化传感电路与算法。多路复用技术 ：通过高速切换（200 Hz）不同位置的光电发射器（红外LED）的开关状态，同一套光电接收器可以分时读取来自垂直波导的压力信号和来自对角波导的应变信号，从而在硬件层面解耦了压力与应变信息。实时监控 ：系统成功演示了对包含5个压力传感器和4个应变传感器阵列的实时监控，压力测量基本不受应变状态影响，证明了该架构用于大面积触觉传感的可行性。
本研究成功开发出仿象鼻装甲触觉传感皮肤，其核心在于模仿了自然模型的层级结构，在机械鲁棒性、大变形能力和触觉传感三个方面取得了协同突破。在机械鲁棒性上，通过内部纤维增强和表面刚性离散岛屿阵列，实现了高韧性与优异的抗穿刺/切割能力。在变形能力上，通过引入褶皱结构，首次在装甲皮肤中实现了高达60%拉伸和40%压缩的大变形，超越了以往报道的柔性或低拉伸性（<20%）装甲系统。在触觉传感上，创新性地利用褶皱形态，将光学压力传感器布置于形变极小的波峰波谷，将对角应变传感器布置于形变显著的斜坡，结合多路复用算法，使用同一套硬件同时实现了大面积的压力与应变传感。
这项工作的意义在于，它为解决软体机器人和可穿戴电子设备中“灵敏感知”与“坚固防护”之间的固有矛盾提供了一个行之有效的仿生设计范式。ETATS不仅能够保护本体免受机械损伤，还能在剧烈形变过程中持续感知环境交互，这对于软体机器人安全地进入复杂、非结构化的真实环境执行任务至关重要。尽管目前的研究聚焦于单向变形，但未来的工作可以通过设计多向折叠图案来实现更复杂的多轴拉伸、扭曲和弯曲运动，并集成机器学习算法以进一步优化信号处理与解耦。这项研究标志着高性能电子皮肤向更实用、更强大的方向迈出了关键一步。
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