最牛的“可穿戴设备”——电子皮肤丨科普硅立方
编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。
当今社会，可穿戴智能设备已经普及开来，相信大家都听说过智能眼镜、智能手表、智能腕带等，不过要说最牛的“可穿戴设备”，应当非“电子皮肤”莫属！
图1 电子皮肤（图片来自网络）
电子皮肤是一种可以产生触觉的超薄电子设备。在人们的印象中，硬件通常都是坚硬且有一定形状的，而电子皮肤却是像皮肤一样柔软的硬件，可被加工成各种形状，用途十分广泛。比如，它能依附在设备表面充当外衣（比如机器人外衣），还可以应用在遭遇严重皮肤创伤（比如烧伤或皮肤疾病）的人体修复手术中。这种新型人造皮肤可以感受外界压力、温度等的变化，并通过电路向我们的大脑发送信号，从而产生近乎真实的触觉。其灵敏度之高，甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量！如此高能的科技是怎么做到的呢？
首先，我们对电子皮肤做个简单的“解剖”，它主要是由三部分元件构成：传感器、信号转换与传输电路、具有特殊蛋白的神经细胞（图2）。通过这三类元件，电子皮肤实现了触觉信号的接收，转换和传递。不要小看这三种元件，每一个都大有来头。
图2 电子皮肤感应信号并传导到大脑的示意图
1. 首先是传感器，它是电子皮肤的感受器。感受不同的外部环境所需的传感器也不同，比如压力传感器可以感受压力的变化并转换为电阻，从而实现了由压力信号到电信号的转变。一般压力传感器有电容式和电阻式的形式（图3）。
图3 电容式和电阻式压力传感器原理示意图
电容式传感器（顶部）通常是通过改变两个平行板电极之间的距离改变电容的大小，可以有很好的灵敏度和线性度。电容式传感器的电介质可以是固体聚合物，微结构弹性纤维，或是空气介质。电阻传感器则是采用两种机制：内部材料压电电阻（中部）或结构化导体和电极间的接触电阻（底部）。在第一个机制中，施加压力可以改变半导体的能带结构或在聚合物组分中导电填料的分布，导致电阻变化。不过，一般压阻聚合物复合材料表现出大滞后和大干扰，低温度敏感性和低压力灵敏度。科学家们研究了依赖于调制的接触电阻的电阻传感器。接触电阻的变化是由在导体和电极之间接触面积变化所引起的，不是天生对温度敏感，因此可以把混杂温度效应最小化。此外，由于接触电阻是一个表面效应，设备可以非常薄，从而提高灵活性和延展性，减少元素之间的串扰，使得接触电阻式传感器备受偏爱。
2. 信号的接收之后，有一个转换和传输电路（图4）。它能够将电阻变化转换成电脉冲信号，随着压力的增加，电脉冲频率也会相应增加。通过脉冲的大小控制感知区域的感觉和大小。改变刺激的振幅，放大器可以放大传感器阵列记录的信号。额外的电路是为了用来控制刺激的波形。数据传输模块在灵活和可伸缩的互联上，可以记录、转换和传输从传感器到神经组织的信号。
图4 信号转换和传输电路
3. 最后科学家用纤维耦合激光器或灵活多彩发光二极管阵列（LED）等将电信号转换为光信号，传输到一种特殊的神经细胞上，这种神经细胞内含有一种蛋白-特定的视蛋白(光敏蛋白质)，它可以吸收光信号并转换为神经电信号，在潜在的接口和神经元（图5）比如脑皮层感觉神经元引发光刺激，从而实现了神经信号的传递。
图5 潜在的接口和神经元：a.大脑b.脊髓c.肌肉d.周围神经
完成了以上三个步骤，电子皮肤也就实现了“触觉”的传递过程！科学家们还在致力于研究电子皮肤并给它赋予更多的功能，比如柔韧性、耐用性、跟人体组织的相容性、舒适性等，从而为人类提供更多帮助和自然皮肤的功能延伸。
目前，全球有超过10亿的残疾人，其中6亿是在亚洲，中国的残疾人口达8500万，其中30%是肢体残疾。传统假肢存在巨大的局限性，而“电子皮肤”的出现将成为医学领域的一项重大技术革新，为数百万患者带来肢体“再生”的希望。而且，电子皮肤的应用并不局限在假肢，还在其他领域也有所应用，比如人体健康方面，可以测量血压、心率等。得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员日前宣布他们已经开发出一种新型“电子皮肤”（图6），这种厚度只有0.3毫米的可穿戴设备能够贴在人的皮肤上，然后对佩戴者的体征数据进行准确检测和记录，同时该设备还将数据上传到至电脑，甚至还能直接向人体输送药物。
图6 数据传输模块
斯坦福大学研究了基于温度传感器的电子皮肤（图7）。当温度发生改变时，这一材料可以产生电流，当外部物体接触皮肤时，这一材料的电阻率将会发生改变。这种电子皮肤可以用来测量体温。
图7 贴在手上的电子皮肤
除应用于医学领域之外，电子皮肤还是一种“智能表面”。从理论上来说，这一技术可被用在人和人机交互的场合。来自美国加利福尼亚大学伯克利分校的Ali Javey团队们在这方面做的很成功。他们的团队开发了电磁耦合的电子皮肤技术，使信号无线传播。想像将你的手臂放在书桌旁的充电板上休息的时候还能充电。他们在《自然材料》杂志上发表论文宣布研制出一种以塑料为材质的柔性屏（图8），分辨率为16x16像素。当你触摸屏幕，电子皮肤就会发光，压力越大亮度就越高。这种材料可以作为交互式壁纸，用于腕表的屏幕，或集成进汽车仪表盘中实现触摸控制。
图8 触摸可发光的电子皮肤
虽然还有很多科学问题要解决，但电子皮肤未来可期。电子皮肤将可以与人类自然皮肤完全兼容，为人类皮肤提供必要呵护；各种创伤能够用电子皮肤修复如初；皮肤的色泽、纹理会随人的意念变化，让我们一起期待电子皮肤技术的发展带来的革命性突破吧!
参考文献：
1. A. Chortos, J. Liu and Zh. Bao. Pursuing Prosthetic electronic skin. Nature materials. DOI:10.1038/NMAT4671. (2016)
2. N.T. Tien, S. Jeon, D. Kim, T.Q. Trung, M. Jang, B.U. Hwang, K.E. Byun, J. Bae, E.Lee, J.B.-H. Tok, Zh. Bao, N.E. Lee and J.J. Park. A flexible Bimodal Sensor Array for Simultaneous Sensing of Pressure and Temperature. Advanced Materials. 796-804. (2014)
3. M. Thakur, R. Dofe and S. Jadhav. Flexible Electronic Skin. International Journal of Current Engineering and Technology. Vol 4, No. 6. (2014)
4. C. Wang, D. Hwang, Z. Yu, K. Takei, J. Park, T. Chen, B. Ma, and A. Javey. User-interactive Electronic Skin for Instantaneous Pressure Visualization. Nature Materials. Vol 12, 899-904. (2013)
来源：中国科学院上海硅酸盐研究所
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