浙江大学智能生物产业装备创新团队（IBE）蓝玲怡研究员和应义斌教授在Nature Communications上发表研究论文“Skin-mimicking biogel-based iontronic sensor with hierarchical bionic coupling for dexterous tactile e-skin”。该研究受人类指尖皮肤结构启发，开发了一种基于仿生凝胶材料的离子触觉传感器，并集成于灵巧手，实现了对水果成熟度的无损、实时、高精度感知与分类，为农业机器人智能触觉感知系统提供了全新解决方案。
图1 该研究在Nature Communications期刊上发表的相关信息
在呼吸跃变型水果（如猕猴桃、芒果、李子、桃子）的自动化采摘与产后处理中，果实成熟度是决定采收时机与分级品质的核心指标。然而，这类水果在成熟过程中往往出现外观颜色与内部质地变化不同步的现象，传统图像识别及其他机器辅助方法难以据此准确判断真实成熟度。因此，如何在不损伤果实的前提下，直接获取与其内部质地变化密切相关的信号，成为农业机器人面临的关键挑战。
针对这一问题，研究团队从人体皮肤多层级触觉感知机制中获得灵感，构建了具有仿生材料、结构和传感功能的电子皮肤系统。该系统的核心在于开发了一种由明胶、乳酸钠和蒙脱石纳米片复合而成的仿生水凝胶（GSM biogel），其通过动态离子交联和氢键网络，模拟了天然皮肤中胶原蛋白与透明质酸的力学与保湿特性。采用砂纸模板法在水凝胶表面制备了类真皮乳头的微结构，并与柔性电极组装形成离子触觉传感器。通过材料与结构的协同设计，该传感器实现了466.3 kPa-1的灵敏度、47 ms的快速响应以及20 Pa至2000 kPa的宽压力检测范围。在此基础上，研究团队进一步制备了可拉伸、超薄的手形离子传感阵列，该阵列能够与灵巧手无缝贴合，实现非破坏性抓取和多通道压力分布的高保真映射。
图2人体指尖皮肤的触觉感知机制以及仿生水凝胶基电子皮肤的对应设计
为实现对不同呼吸跃变型水果硬度的无损检测，制备了超薄且可拉伸的多层传感阵列，能够共形贴合于灵巧手表面，确保在检测过程中不会对水果造成损伤。利用该传感阵列对猕猴桃、芒果、李子、桃子进行单指无损按压测试，结果表明传感阵列能够清晰区分未成熟与成熟果实的硬度差异。
图3手形离子传感阵列的组装及在水果按压测试中的应用
为模拟人体完整的触觉感知与信号处理，进一步构建了一套由机器学习辅助的桃子成熟度智能识别系统。该系统由19通道的手形离子传感阵列构成感知层，通过干簧管继电器扫描电路抑制串扰，并经电容数字转换器与微控制器采集压力信号，利用随机森林模型进行压力信号的处理，实现成熟度的精准分类。
图4基于手形离子传感阵列和机器学习算法的桃子成熟度智能识别系统
该研究为呼吸跃变型水果成熟度检测领域提供了一种无损、高灵敏的触觉识别新技术，未来有望结合机器人自动化技术实现田间采摘与采后分级的实时精准决策。
该论文第一作者为浙江大学IBE团队博士生陈一丹，共同第一作者为汪舒和叶熙路，通讯作者为蓝玲怡研究员。蓝玲怡研究员于2023年11月入选浙江大学“百人计划”，是浙江大学应义斌教授领衔的智能生物产业装备创新团队（IBE）核心成员。主要从事农业信息感知领域的交叉研究工作，在Nature Communications, Matter, Advanced Materials等期刊发表一系列研究成果，主持国家自然科学基金面上项目、浙江省杰出青年基金等项目。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73736-3
