「觸」景生情的有機電子器件

皮膚是人們感知外界信息的重要窗口。皮膚中遍布著大量的感受器，可以靈敏地感受多種外界刺激並傳遞給大腦，形成感覺。研發模仿人體皮膚功能的電子皮膚深受科學家們的青睞。理想的電子皮膚不但能夠模擬人體的信號感知功能，而且需要具備人類皮膚的柔軟、可拉伸特性。這些問題使得電子皮膚的製備成為科學界備受關注的難題之一。以碳元素為主的有機半導體是新型的半導體材料體系，具有輕柔、價廉、生物兼容性好等特點。可以說，基於有機半導體的電子器件是構築電子皮膚的理想載體之一。

作為邏輯電路和多種感測器的基本元件，晶體管是廣泛研究的電子器件。有機場效應晶體管（OFET）具備晶體管的信號轉換和信號放大功能，同時可以具有柔韌性好的特點，在智能電子皮膚方面具有重要應用潛力。對外界刺激靈敏響應的柔性感測器是電子皮膚的關鍵組成部分。基於有機半導體材料開發和 OFET 器件設計的雄厚基礎與豐富經驗，中科院化學所有機固體實驗室的研究人員長期開展相關研究，發明了一系列高靈敏度感測器。除了開發出模擬人類觸覺的柔性壓力感測器，他們還發明了柔性氣體感測器、磁場感測器。這些發明意味著，基於 OFET 的電子皮膚不但可以具有匹敵人類皮膚的觸覺，還將被賦予人類皮膚所不具備的環境氣體檢測、磁場探測的「超能力」。這些研究成果先後發表於《自然-通訊》和《先進-材料》雜誌上（Nat. Commun. 2015，6，6269；2015，6，8356;Adv. Mater.2014, 26, 2862; 2015, 27,7979; 2016, 28, 4579）。

人類皮膚中的大量感受器無時無刻不在發射信號，而大腦神經元對這些信號的智能處理，是我們理解這些信息並形成「感覺」的關鍵。如果把柔性感測器的開發視為發展電子皮膚的第一步的話，那麼開發仿生智能信號處理電子元件，並將其和感測器進行有效集成則是模擬人類皮膚功能的高級階段。這將會為智能皮膚和交互機器人的發展帶來更多的可能和機遇。儘管相關研究從未報道並充滿了挑戰，然而化學所有機固體實驗室的研究人員近日取得了突破，製備出基於 OFET 的新型智能元件。該元件不但能感知外部壓力，同時還能對感測電信號進行類神經元功能的智能處理，模擬人類觸覺。

作為神經元之間的連接元件，突觸在人類大腦信號處理、形成感覺的過程中扮演著重要的角色。在這一工作中，科研人員首先製備了新型仿生信號處理元件- OFET 人工突觸。這一突觸元件利用 OFET 三個終端的特點，以其中一個終端控制其他兩個終端的電流，模擬神經電信號在神經元之間的傳遞過程。通過進一步將其與 OFET 高靈敏度壓力感測器集成起來，發展了智能觸覺系統。不同於簡單的感測器，這一觸覺系統受到壓力刺激時不但能將壓力信號定量轉換成電信號，還能對轉換的動態電信號進行類神經功能處理，感知出壓力刺激的持續時間，刺激頻率等信息。換句話講，當我們以大的壓力或者高頻率、重複的壓力刺激這一系統時，它的感受便會加強，並會逐漸適應並記住這些刺激。這一成果為發展有真正「觸覺」的電子皮膚以及新型智能仿生元件提供了新的思路。

這一研究發表於《先進-材料》雜誌上（Adv. Mater. 2017,29, 1606088）。Nat. Rev. Mater.雜誌對這一結果進行了評述：「這一研究成果使柔性電子皮膚的發展向前邁進了一步，它能同時模擬人類皮膚的靈敏度和功能性。」（2017，doi:10.1038/natrevmats.2017.15）。

OTFT 觸覺感知系統示意圖

來源：中國科學院化學研究所

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