人类指尖皮肤的棘层位于表皮与真皮之间，由相互嵌合的山丘微结构组成。这种三维界面能把外力集中到山丘顶端附近的机械感受器，使 SA-I、SA-II、FA-I、FA-II 等感受器根据受力方向产生差异响应。作者据此设计了双层电容阵列：底层为直径 1 mm、高 200 μm 的聚氨酯（PU）山丘阵列，顶层为 60 μm 厚、带金字塔微结构的 PU 膜，中间以 10 μm 聚羟基丁酸-戊酸酯（PHB-PHV）薄膜作介电层。上下电极均为喷涂后光刻图形的碳纳米管-PU 复合膜，电极线宽 300 μm、间距 50 μm，两层电极互相正交叠放。每座山丘对应 25 个电容像素——山顶 1 个、坡面 4 个、角部 4 个、周边共享 16 个——构成类似皮肤感受器的空间编码。
图1｜人体皮肤棘层结构与仿生电子皮肤设计。（A）指尖皮肤横截面，棘层互锁山丘将外力集中到机械感受器；（B）仿生电子皮肤结构：CNT-PU 电极嵌入 PU 基体，上下电极正交形成电容阵列。对应原文 Fig.1。
在先前的仿生电子皮肤方案中，电阻式、压阻式、铁电式、摩擦电式与电容式传感器多采用上下平整电极夹持弹性微结构。作者指出，这类结构中的像素对法向力、剪切力、弯曲力等刺激往往产生均匀的响应模式，无法在同一时刻仅凭空间分布判断力的类型，必须依赖时序波形进行事后区分。本研究的核心改进是将底层电极也做成三维山丘：当法向力作用时，山丘整体受压，山顶像素电容增幅最大；当剪切力作用时，山丘迎风侧受压、背风侧拉伸，两侧像素响应不对称，形成方向性空间图案；倾斜力则兼具法向与剪切特征。通过一次采样 25 个像素的电容分布，即可在单时间步内完成力的方向识别，而不必牺牲控制带宽。
图2｜现有传感机制局限与本研究三维山丘设计。（A）常见互锁微结构传感原理；（B）本研究提出的三维山丘电容阵列；（C）平整电极方案对各向力响应均匀、难以实时区分；（D）本方案可一次性从空间分布识别法向、剪切与倾斜力。对应原文 Fig.2。
制备分为硅片模具加工、电极转印与三层叠压。金字塔阵列模具通过光刻、HF 氧化硅刻蚀与 KOH 各向异性刻蚀在硅片上加工，可获得底宽 10–50 μm 的方锥。碳纳米管分散液喷涂于氧等离子处理后的硅片，再用 S1813 光刻胶保护电极图形，经氧等离子刻蚀去除多余 CNT，随后用丙酮、异丙醇与水去除光刻胶，再依次旋涂 10 mg/mL 与 60 mg/mL 的 PU 氯仿溶液，得到带图形的柔性电极膜。山丘结构则将无金字塔的 CNT-PU 电极膜覆盖于 1 mm 孔径网格，抽真空约 250 torr 使 PU 吸入孔洞成形，再浇筑约 3 mm 厚的 PDMS 背衬加固，以防止剪切时层间滑移。最后将底层山丘电极、介电层、顶层金字塔电极按正交方向层压对齐。该路线依赖光刻与模具转印，但其在微结构化弹性体与柔性电极多层对准方面的工程经验，对可拉伸触觉器件的规模化具有借鉴意义。
图3｜电子皮肤制备流程与器件实物。（A）底层山丘电极、介电层、顶层金字塔电极的叠压流程；（B）贴附于假手的器件实物与山丘/电极近景；（C）CNT-PU 互连结构与顶层金字塔 SEM 形貌。对应原文 Fig.3。
电容变化源于电极间距与重叠面积改变。按平行板电容近似：
该式用于说明外力引起介电层厚度或重叠面积变化时，电容随之改变的物理基础。
实验测得，山顶像素在低压区（P < 1 kPa）的法向灵敏度为 0.19 ± 0.07 kPa−1，1–10 kPa 为 0.10 ± 0.01 kPa−1，10–20 kPa 为 0.04 ± 0.001 kPa−1；坡面与底部像素分别约为山顶的 68% 与 30%。剪切灵敏度在 10–20 kPa 范围为 3.0 ± 0.5 Pa−1，背风侧约为迎风侧的 30%。由于 PU 弹性体的延展性，局部受力对邻近像素影响有限。器件响应时间处于毫秒量级，可检测 15 mg 的塑料珠，对应压力低于 0.5 kPa；在 70 kPa 与 15 kPa 之间循环 30,000 次后，最小与最大电容仅漂移 2.3% 与 0.2%，体现出良好的机械与电学稳定性。
图4｜电子皮肤对法向、剪切与倾斜力的响应特性。（A–C）法向、剪切、倾斜力作用下的 5×5 电容像素响应分布与响应曲线；（D）山顶与底部像素灵敏度对比；（E）局部加载对邻近像素影响有限；（F）0–1800 kPa 重复加载；（G）15 mg 塑料珠检测；（H）30,000 次循环稳定性。对应原文 Fig.4。
不同位置像素的差异化响应，使整座山丘成为一个具有内置量程分级的传感单元。山顶像素因初始间距最小，对低压最敏感，适合检测轻微触碰；坡面与底部像素初始间距较大，在高压力下才显著变形，因此能够承载更大载荷而不饱和。当压力超过 70 kPa 后，周围像素灵敏度反超山顶约 9%，这恰好补偿了山顶像素的饱和趋势。这种空间上的灵敏度梯度，相当于把多个量程的传感器集成在同一微结构内，既保留了高灵敏度，又扩展了动态范围。15 mg 塑料珠的检测实验表明，系统基线噪声足够低，在保守估计下仍能获得约 3 的信噪比；多数工况下基线更高，信噪比还会进一步提升。这一分布式设计让电子皮肤在从轻微触碰到较大抓握力的整个范围内都保持有效响应。
金字塔底宽 a 与间距比 b/a 同时影响灵敏度与信噪比。COMSOL 仿真将顶层膜分为山丘坡面/底部所在的 zone 1 与山顶所在的 zone 2：对 zone 1，小金字塔配合大间距有利于顶层膜挠曲，获得高灵敏度；对 zone 2，小金字塔配合小间距可提高 Cmin 与信噪比，并缩短响应时间。两种需求矛盾，单一正交网格难以兼顾。作者借鉴向日葵花盘的斐波那契螺旋（phyllotaxis），按 Vogel 模型排布金字塔：
该模型使螺旋中心稀疏、边缘密集，从而在同一结构中兼顾 zone 1 与 zone 2 的优化需求。
螺旋排布使金字塔密度从中心到边缘平滑过渡，中心小 b/a 保证 zone 2 的高电容与快响应，边缘大 b/a 提升 zone 1 的灵敏度。对比实验显示，30 μm 金字塔的螺旋网格在边缘区域的响应幅度与一致性优于正交网格；10 μm 金字塔则因更大的 Cmin 而获得更好信噪比。这一结果说明，自然界中常见的螺旋生长模式，可为高灵敏度、低迟滞的触觉传感阵列提供有效的几何模板。
图5｜金字塔几何优化与向日葵螺旋排布。（A–B）不同金字塔尺寸与间距下的 COMSOL 位移/应力仿真；（C）zone 1 与 zone 2 的设计需求对比；（D）向日葵花盘螺旋启发；（E–F）正交与螺旋网格的显微图像；（G–J）正交网格与螺旋网格的响应对比。对应原文 Fig.5。
为演示实时触觉反馈，作者将电子皮肤贴附于假手并安装于 KUKA IIWA 机器人手臂与 Schunk WSG 50 夹爪。电容信号由 LCR 表采集，经 Redis 接口传输至机器人控制器；控制器在电容超过阈值时立即中断预设下压动作。在带孔测试板上，系统逐孔识别法向接触并抬升手臂；在夹持 2.7 g 乒乓球时，可检测球与桌面接触产生的切向力并回退；在抓取新鲜覆盆子时，触觉反馈使机械手在接触瞬间停止下压，避免压碎，而关闭反馈时覆盆子被压溃。这些实验表明，空间分辨的触觉信息足以支持机器人对力方向的实时判断，为精细操作提供了闭环依据。
图6｜机器人手臂触觉反馈实验。（A）实验装置；（B）传感器阵列与测试板；（C–F）法向力与剪切力检测下的机器人运动与电容响应；（G–I）覆盆子抓取：触觉反馈开启时避免压碎，关闭时果实被压溃。对应原文 Fig.6。
该研究目前采用光刻-模具-层压路线，核心难点在于三维微结构的可控制备与多层电极精确对准。对于希望快速迭代微结构几何的团队，3D 打印提供了值得关注的替代路径：DLP 光固化可直接打印带金字塔或山丘微结构的弹性体模具，省去部分硅片刻蚀步骤；DIW 浆料直写则可通过调控粘弹体/导电复合浆料的屈服应力、触变恢复与自支撑性，直接挤出柔性电极与介电层，实现一体化成型。无论哪种路线，都需要把浆料流变窗口、固化收缩、层间对准与后处理纳入工艺闭环。铂邦设备在路径规划、多材料切换与工艺参数库方面的能力，可为这类仿生微结构的原型制备与参数优化提供支撑。
综上，本研究通过仿生皮肤棘层的三维山丘结构与向日葵螺旋金字塔排布，实现了电容式电子皮肤对法向、剪切及倾斜力的实时方向识别，灵敏度、响应速度与循环稳定性均达到机器人触觉应用需求，并在机器人手臂闭环控制中验证了易碎物体操作能力。其微结构设计思想与多层柔性电极集成经验，对后续面向机器人、可穿戴与医疗场景的触觉传感器开发具有重要参考价值。
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