摘要：大家好！在如今这个科技飞速发展的时代，智能设备越来越厉害，有一种发明，能像我们的触觉一样感知周围环境，它就是“灵活的电子刷”——《Flexible electronic brush: Real-time multimodal sensing powered b

大家好！在如今这个科技飞速发展的时代，智能设备越来越厉害，有一种发明，能像我们的触觉一样感知周围环境，它就是“灵活的电子刷”——《Flexible electronic brush: Real-time multimodal sensing powered by reservoir computing through whisker dynamics》发表于《SCIENCE ADVANCES》。这个电子刷，它能实现实时多模态传感，今天就带大家一起揭开它的神秘面纱！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景与目标

在开始了解这个电子刷之前，我们得知道，现在的多任务传感器都希望能用更少的传感器检测更多信息，这样能降低成本和功耗，对物联网发展超重要。但同时检测多种信息可不是件容易事，还有机械柔性传感器片也在大力研究中。而且，模仿晶须和刷子运动的多模态数字化研究还比较少，现有的类似传感器连滑动信息都检测不好。所以，科学家们就想开发一种新东西（多任务电子刷（e-brush））来解决这些难题。

二、电子刷的制备及传感器特性

LIG的形成与特性：咱们先来看看这个电子刷是怎么制作的。电子刷里用到了一种叫激光诱导石墨烯（LIG）的材料，它是通过二氧化碳激光照射聚酰亚胺（PI）膜形成的，就像给PI膜施了个魔法，让它变成了多层石墨烯结构。从拉曼光谱图能看到，形成LIG后有2D和G峰，还有代表缺陷的D峰。把LIG转移到聚二甲基硅氧烷（PDMS）上后，2D峰消失，G和D峰变宽，说明表面变成了无定形碳。再看看扫描电子显微镜（SEM）图像，转移后的LIG表面还保留着随机的3D波结构，这对传感器很重要哦。

触觉压力传感器的原理与性能：电子刷里的触觉压力传感器可关键啦！它的原理是基于LIG和两个炭黑（CB）电极之间的接触电阻变化，也就是电接触电阻（ECR）。随着施加压力变化，LIG和CB的接触面积改变，电阻也跟着变，这就是“双接触模式”。

它的电阻变化和施加压力的关系很稳定，滞后也很小。在不同压力范围，它的灵敏度不一样，能检测低至50Pa的压力，而且长期稳定性也很好，经过20小时、3000次循环测试，输出依然可靠。

三、电子刷传感器性能测试

设计与工作原理：电子刷传感器设计得很巧妙，它把四个电阻式触觉压力传感器集成在刷子结构里。刷子用的是和之前触觉压力传感器一样的“双接触模式”原理来工作，保证了稳定可靠。制作的时候，在CB电极上用双面胶带贴了个90μm厚的垫片，这样能精确测量刷子运动。而且，通过有限元方法（FEM）分析确定了CB电极在PET膜上的位置。

性能测试结果：来看看它的性能测试结果。当刷子朝着不同传感器移动时，电阻会有变化，虽然因为手工制作有点不对称，但系统可以通过训练识别这些变化。这个电子刷还能区分八个方向的运动，通过分析动态电阻变化，能检测25-75 mm/s的速度，还能监测0.5-1.5 N的力。更厉害的是，它能检测刷子的滑动状态，电阻变化趋势能反映出滑动情况。而且，不管目标物体表面条件怎么变，电子刷都能正常检测运动参数。经过长期循环，在6000多次循环、近5小时的测试里，传感器输出一直很稳定。

四、储层计算（RC）优化

因为刷子传感器输出的信号有滞后和小变化，科学家们就用了一种叫回声状态网络（ESN）的储层计算方法来分析。ESN就像一个聪明的小助手，它由输入层、储层和输出层组成。它训练的时候只调整从储层到输出层的权重，计算成本低，适合实时检测。通过调整一些超参数，像泄漏率、输入幅度和谱半径，能优化这个系统。经过优化后，这个系统检测方向的平均准确率能达到99%，状态（比如滑动）85%，表面96%。

它能成功检测出刷子运动的各种信息，虽然有一些小误差，但不影响整体检测效果。

五、演示验证

为了证明这个电子刷真的很厉害，科学家们做了个演示。把电子刷固定在亚克力板上，用它来记录手写过程。在纸上写0-9这些数字，同时记录传感器信号。通过计算速度和状态，就能追踪刷子的运动轨迹。结果发现，这个系统能成功模仿手写数字，就像有个隐形的手在帮你写字一样，这说明它真的能监测刷子运动的详细信息。

六、研究总结

今天我们了解了这种由储层计算驱动的多任务电子刷，它通过优化传感器设计和储层计算算法，能检测刷子的滑动等多种信息。虽然完全数字化专业技能还有一些挑战，但它已经能开始收集重要数据了，以后在机器人应用等领域肯定能发挥大作用，说不定未来的机器人都能像我们一样灵活感知周围环境呢！

七、一起来做做题吧

1、多任务传感器的主要设计目的是什么？

A. 增加设备成本和功耗

B. 减少传感器数量以检测多种信息

C. 只检测单一类型信息

D. 增加设备的复杂性

2、激光诱导石墨烯（LIG）转移到 PDMS 后，其拉曼光谱发生了什么变化？

A. 2D 峰增强，G 和 D 峰变窄

B. 2D 峰消失，G 和 D 峰变宽

C. 2D、G 和 D 峰都消失

D. 2D、G 和 D 峰无变化

3、电子刷传感器能检测的速度范围是多少？

A. 10 - 25mm/s

B. 25 - 75mm/s

C. 50 - 100mm/s

D. 75 - 125mm/s

4、回声状态网络（ESN）属于什么类型的计算方法？

A. 卷积神经网络

B. 储层计算

C. 支持向量机

D. 决策树

5、电子刷在演示中用于记录什么过程？

A. 绘画过程

B. 机器抛光过程

C. 手写过程

D. 物体表面扫描过程

参考文献：

Haruki Nakamura et al. Flexible electronic brush: Real-time multimodal sensing powered by reservoir computing through whisker dynamics. Sci. Adv.11, eads4388(2025).

来源：知识泥土六二三