讓人更加人性化，讓機器有觸覺！4 位電子皮膚大牛最新成果盤點

如今可能人人都聽過「黑科技」這個詞。

百度百科介紹，「黑科技」一詞源於日本編劇賀東招二的輕小説《全金屬狂潮》，原指非人類自力研發、凌駕於人類現有科技之上的知識。

在我們的日常語境中，「黑科技」則代表着當前人類無法實現或根本不可能產生的技術、產品，或是現實中那些“不明覺厲”的新硬件、新軟件、新技術、新工藝、新材料等。

在知乎上有這樣一個問題：你所知道的最“黑”的黑科技是什麼？

有人認為是能在火星移民時派上用場的“人造光合作用”技術；有人覺得應該給受鼻涕蟲啓發的新型器官強效止血材料投上一票；也有人按字面意思答題，認為一種能吸收 99.96% 光線的新材料可以説是“黑”到失蹤了；也有人提到，一種仿動物皮膚的柔韌、可拉伸、可自愈電子產品——「電子皮膚」應該擁有姓名。

「電子皮膚」，具體能做什麼？

雷鋒網注意到，電子皮膚有這樣兩類意義。

第一，在人工義肢、醫療檢測和診斷等方面，它可以協助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，幫助配有假肢的羣體恢復對外界的真實感知。

這一點正如人造皮膚領域“材料大師”、化學家、斯坦福大學化學工程系系主任鮑哲南投身電子皮膚領域時的初心：

第二，電子皮膚能應用於機器人，提升機器人的柔韌性和延展性，甚至讓機器人像人類一樣在面對疼痛時做出反應。

【中科院半導體所開發的超薄柔性電子皮膚陣列】

那麼，這項黑科技曾經歷過何種蜕變？當前發展程度如何？

就在最近，知名學術期刊 Nature“科技特寫”（Technology Feature）專欄中，一篇題為 Electronic skin: from flexibility to a sense of touch（電子皮膚：從柔韌性到觸覺）的文章覆盤了電子皮膚的最新發展及蜕變史。

雷鋒網對這一盤點進行了整理，或許通過下面的文字，我們對電子皮膚這種黑科技的認知將變得更為立體。

其實，電子皮膚的研究最早源於電子閲讀器和曲面電視中的組件，而研究這些組件的，則是致力於研究柔性碳基分子或聚合物導電的科學團隊。

概括來講，有機電子學領域研究人員旨在研究用於顯示和照明的有機發光二極管、用於顯示底板和大面積電子器件的晶體管、以及用於太陽能收集的光伏電池。在某種程度上，以上設備都將受益於其形式的靈活性。

如何實現所謂“形式的靈活性”，研究人員將目光放在了我們今天常説的可穿戴電子產品上。

研究人員最早在 2004 年做出了成功實踐。

當時，日本東京大學工程學院電氣與電子工程系教授 Takao Someya 及其團隊發表了一項研究成果。

論文顯示，該團隊開發出一種 8 釐米× 8 釐米的柔性機器人皮膚貼片，由多層高性能、壓力感應的聚酰亞胺塑料、有機半導體並五苯（pentacene）和幾層金、銅電極組成，內置一個 32 × 32 的微型壓力傳感器陣列。這種電子皮膚即使被包裹在一個 4 毫米厚的圓柱形棒上，也能保證電流不間斷，就像一個柔韌的電路板。

Takao Someya 表示：

次年，Takao Someya 團隊通過將相對堅硬的聚酰亞胺聚合物紡成線，然後再紡成網，使得電子皮膚擁有了彈性和舒適度。

美國西北大學 John Rogers 團隊：將電子皮膚用於抗疫

説起抗擊新冠疫情，你可能很難想到，材料科學家也衝在了最前線。

1995 年，美國材料科學家、物理化學家 John A. Rogers 獲得了 MIT 物理化學博士學位，1997 年加入貝爾實驗室凝聚態物理研究部門，隨後進入美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校成為工程學系創始人。

如今，作為美國西北大學材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科教授，John A. Rogers 領導着一個關注開發柔軟、有彈性、類皮膚材料的研究團隊。

2019 年 11 月，John A. Rogers 團隊發表研究成果，展示了一種可藍牙連接的聚合物電路設備。將這種設備放在喉嚨底部凹陷處，就可以實現對説話、心率等生命體徵的實時監控，或是對患有中風的人羣提供言語治療。

在 2020 年新冠疫情肆虐期間，這種電子皮膚經定製設計後，被應用於美國芝加哥市的病毒早篩、病情監測等工作。

實際上，John A. Rogers 是世界上最多產的可穿戴皮膚電子研究者之一。西北大學官網顯示，他曾發表過 750 餘篇論文，發明 100 多項專利。

John A. Rogers 團隊的電子皮膚已在全球各地得到了應用，例如監測早產兒的生命體徵和運動員的水合作用；使得機器人獲得更加細微、類似人類的觸感。

這一觀點來自於英國劍橋大學生物電子學教授 George Malliaras。在他看來，電極和人之間保持接觸並不容易，因為皮膚會隨着人的移動受到拉伸、褶皺和彎曲。要固定電極，其實可以用到凝膠，但由於凝膠是水溶液，隨着時間的推移會變幹，因此其穩定性存在問題。

為此，George Malliaras 團隊想到了另一種可能的溶液——離子液體。

原因就在於，離子液體由室温下呈液態的鹽組成，蒸發速度慢，且導電性能好。

2014 年，George Malliaras 團隊將一種名為 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸酯的離子液體與一種聚合物結合，創造了一種能夠容納金電極和導電聚合物的凝膠。這一裝置的電性能可維持 3 天。

值得一提的是，東京大學 Takao Someya 團隊指出，George Malliaras 團隊設計的這類設備會擋住汗液，阻礙空氣交換，佩戴時讓人感到不適；同時也很脆弱，不能長期使用。

為此，2017年，Takao Someya 團隊又提出了一種多孔傳感器的想法，這種傳感器使用的是厚度僅 300 - 500 納米的金纖維網，包括一個類似意大利麪形狀的聚乙烯醇（PVA）網狀物及金電路圖案。這種電子皮膚柔韌、透氣，使用者甚至毫無佩戴感。

幾個月前的騰訊科學 WE 大會上，人造皮膚領域的“材料大師”、著名化學家、斯坦福大學化學工程系系主任鮑哲南在演講中談到了實現人造皮膚的三大挑戰及對應的重大突破：

第一，所用的電子材料必須做成像皮膚一樣柔軟，像皮膚一樣可拉伸，甚至可自修復、可生物降解。

第二，人造皮膚需要真正感知到壓力、温度，可以細膩地感受到不同的物體。

第三，人造皮膚的信號需要能夠和人體結合起來。

實際上，在電子皮膚領域，鮑哲南教授名氣不小。

不同於上述幾位大牛的研究思路，其團隊並沒有創造傳感器，然後做到使傳感器與皮膚兼容——他們採用了分子方法，從一開始就考慮到電子皮膚的靈活性，設計有機聚合物和電子元件。

正如鮑哲南所言：

比如，該團隊曾開發了一種可以感知汗液中激素變化（特別是皮質醇水平變化，皮質醇是衡量壓力大小的重要指標，可用來幫助理解焦慮和抑鬱）的原型。同時，這一原型也可用來製造植入人體的有機電子設備，以幫助修復受損神經。

具體來講，鮑哲南團隊曾用一系列具有不同導電性能和生物降解性的聚合物來製造電子皮膚。

早在 2010 年，他們就用彈性聚合物 PDMS 開發了一種檢測壓力微小變化的皮膚，用以模擬觸覺。該團隊將這一技術應用到一種特殊的手套中，戴上手套後，輕輕按壓覆盆子也不會將其壓碎。

此後，鮑哲南進一步發展了這一技術：讓傳感器在體內工作。

2019 年，鮑哲南團隊介紹了一種可降解的無線傳感器，這種傳感器可以包裹在血管上，在手術後持續監測血流。為了讀出信號（血液脈衝穿過動脈時電容的變化），團隊在皮膚附近安裝了一個外部線圈，將無線電信號發送到遠程接收器。

此後其目標則是讓這些傳感器覆蓋身體的更多部位，同時保持細胞分辨率。

自然，上述研究成果可能代表了電子皮膚領域的最前沿成就，但全球科學家們在這一領域的努力絕不僅限於此。

監測囊性纖維化患者的汗液生物標記物、檢查皮膚疾病患者的皮膚水合情況、評估黑色素瘤患者的紫外線暴露情況、跟蹤皮膚和假肢之間壓力和温度的情況等等，都是電子皮膚已經實現的突破。

值得注意的是，即便電子皮膚近年來發展迅速，但擺在科學家們眼前的仍是重大的化學和工程挑戰，期待下一個突破性成果。

引用來源：

https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%91%E7%A7%91%E6%8A%80/10563341?fr=aladdin

https://doi.org/10.1038/d41586-021-00739-z

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