電子皮膚髮展概覽

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現有的義肢和智能機器人已經能夠在機械運動方面模擬正常人的活動，目前的發展重點是能夠具備感知能力。主要原因是：醫學上，用感覺信息刺激殘肢的感覺通路，可緩解約80％截肢患者的幻肢痛；心理學上，具有觸覺的義肢能讓人感覺其是身體的一部分；使用時，僅依靠視覺和聽覺會導致一定程度的認知緊張，觸覺能獲取肢體位置和握力，能實現更輕鬆、自然的操作。人的皮膚具有機械耐久性、拉伸性、生物降解性，並能夠獲得大面積的複雜感覺。人們希望研發仿皮膚的「電子皮膚」，為義肢和智能機器人賦予感覺。

一、皮膚的感覺功能

人的皮膚中有7種感覺感受器，分別能夠感受疼痛、寒冷、溫暖以及4種機械刺激。其中，慢適應感受器（SA-I和SA-II）響應靜態壓力，SA-I位於皮膚表層，可區分物體形狀和紋理，SA-II位於皮膚深處，能測量皮膚拉伸（應變）；快適應感受器(FA-I和FA-II)響應動態壓力和波動，分別測量低頻和高頻振動。這些感受器可以記錄時間與電壓峰值的關係，即產生動作電位。大腦將綜合各種信號，提供接觸物位置/尺寸/形狀/紋理/硬度/濕度等複雜信息。

二、模仿皮膚的機械特性

電子皮膚需要使用低彈性模量和可拉伸的材料，模擬皮膚約75%的應變能力。構建可拉伸電子器件一般有使用彎曲的柔性材料、不連續的剛性材料和可拉伸材料三種方法。

1、彎曲的柔性材料

將柔性器件連接至預拉伸的彈性體基底，釋放應力後可獲得波浪形柔性器件，具備一定的拉伸能力。但部分材料彎曲時會發生性能改變，同時波浪形結構也會影響接觸的緊密程度。

2、不連續的剛性材料

在柔性基板上使用不連續的剛性組件也能構建可拉伸器件，這種方法能夠使用現有的高性能器件，但拉伸性和器件布置密度間要有所權衡。

3、可拉伸材料

用於柔性電子的本質可拉伸材料需要同時具備良好的機械性能和電學性能。一種方法是在絕緣彈性體中摻入電活性填料，但填料含量過高會影響拉伸性，可通過降低滲流閾值、構建一維材料的二維網路（如碳納米管網路）提高導電性和拉伸性。另一種方法是聚合物電子材料的化學改性（如在導電性好、拉伸性差的PEDOT：PSS中添加非離子增塑劑提高拉伸性）。目前已經制出溫度感測器、觸覺感測器和晶體管，但性能仍不滿足實用要求。例如，使用離子電介質的可拉伸晶體管時間響應性不好，限制了在電子皮膚中的應用。

此外，為了模仿皮膚的耐久性，可採用在低模量材料網路中包裹高模量材料網路的做法，在低應變下柔性好，高應變時利用高韌材料防止斷裂。

圖 1 （a）構建可拉伸電子器件的三種方法，從左向右依次為：利用預拉伸柔性材料的波浪形結構、不連續的剛性材料、可拉伸材料（b）模仿皮膚耐久性：在低模量材料網路中包裹高模量材料網路

三、電子皮膚工作原理

為了模擬人體皮膚的功能，需要研發相關的感測器、信號編碼方法以及將感覺信號傳遞至神經系統的方法。

圖 2 電子皮膚的工作流程

1、信號感測器

為了模仿皮膚的感覺，需要把外界溫度、濕度、力學等刺激轉換為電信號。不同感測器可分布在電子皮膚的不同深度，能夠實現複雜的感知。複合感測器外層可包裹彈性體塗層，增強抓握等摩擦力。此外，還可使用單個感測器感知不同刺激信號，減小體積重量。

（1）溫度感測器

生物溫度感測器僅能識別有限的溫度區間，但對動態溫度變化較敏感。目前電子皮膚中的溫度感測器可採用熱電阻、p-n節、熱膨脹材料，但前兩者分別對應力和光敏感，熱膨脹材料雖具有較大的滯後效應，但可設計成不依賴應變的類型。

（2）靜力學感測器

靜力學感測器可採用電容或電阻兩種形式。電容感測器通過改變兩個平板間的距離和正對面積調節電容大小，電介質可採用固體聚合物、微結構彈性體或氣隙，其中微結構彈性體的粘彈性效應較小，響應時間和靈敏度較高。電阻感測器可使用壓阻材料或接觸電阻調製，其中接觸電阻對溫度不敏感、器件較薄，是重點研究方向。目前，電容和電阻感測器的檢測閾值已經低於人體皮膚（約1mN），響應時間與人體皮膚接近（約15ms）。為了模擬SA-II的應變感測能力，電阻感測器可通過測量拉伸時材料的幾何外形（長度、截面積等）或電阻率引起的電阻變化獲取應變；電容感測器則測量節點層厚度或電極面積的變化引起的電容變化。

（3）動力學感測器

動力學感測器可使用壓電和摩擦電兩種形式。壓電感測器受到應變時，ZnO、BaTiO3、聚偏二氟乙烯等非中心對稱晶胞材料中偶極子的大小和密度發生改變，導致電壓變化；摩擦電感測器由接觸電過程產生偶極子，導致電壓變化。這兩種感測器對動態壓力有選擇敏感性，能夠模擬人體皮膚中的FA-I和FA-II感受器。此外，還可擴展應用於自供電。

圖 3 （a）電容式、壓阻式和接觸電阻式的靜力學感測器（b）硅納米帶製成的多功能電子皮膚，可測量應變、壓力、溫度、濕度

2、編碼仿生信號

為了連接人體神經系統，電子皮膚感測器的輸出信號需要轉換為模擬動作電位的脈衝波形。一般過程是：先用放大器放大感測器輸出信號，再調製環形振蕩器形成數字信號，隨後通過邊緣檢測等電路控制輸出波形，使其類似動作電位。最後，還要通過將射頻數據傳輸模塊集成至柔性材料或使用柔性線圈，實現功率和數據的無線傳輸。目前，已經利用硅膜、柔性氧化物、碳納米管等材料制出了上述電子器件，如柔性放大器、有機環形振蕩器等。

圖 4 放大器、環形振蕩器、邊緣檢測

集成感測器與晶體管可實現局部信號的轉換和放大，並減少連線。電容感測器可用作晶體管柵極電介質，或晶體管延伸出的柵極；電阻感測器可與晶體管的源極相結合。將感測器與模數轉換器（如環形振蕩器）連接，可將感測器信號直接轉換為數字信號，無需放大器或外部模數轉換器。

圖 5 （a）電容感測器作晶體管柵極電介質（b）電阻感測器與晶體管源極相結合（c）感測器與模數轉換器連接

3、用仿生信號刺激神經

使用電子皮膚的最後步驟是將仿生信號傳遞至神經系統。目前。可通過電學、光學、聲學、電磁感應等方式刺激中樞和周圍神經，神經介面可位於大腦感覺皮層、脊柱、肌肉組織、周圍神經系統等。

圖 6 利用（i）電（ii）光（iii）磁信號刺激大腦、脊柱、肌肉和周圍神經

（1）電刺激

可在大腦皮層中的植入電極進行直接皮質內微刺激提供感覺反饋，但這種方法刺激區域有限，長時間使用後電極與腦區間的界面會逐漸退化。通過脊柱硬膜外和硬膜下電刺激、肌肉的非侵入式電刺激也能獲得觸覺，其中肌肉刺激法空間解析度低、易導致肌肉疲勞並需要高電壓。將電子皮膚連接周圍神經系統的風險較小，是目前的研究熱點。可使用cuff電極等束外電極或束內電極連接周圍神經。為提高解析度，還可使用納米級電極連接單個神經元。

（2）光刺激

在大腦感覺皮層或周圍神經中表達特定的視蛋白（如光敏蛋白），能用光刺激獲得觸覺。使用光纖耦合激光器或柔性LED傳遞光信號。與電刺激相比，光刺激更有效，需要的脈衝波形更簡單，但將光遺傳學療法用於人體還存在較大的技術、監管和倫理問題。

（3）磁刺激

可使用經顱和經皮磁刺激恢復觸覺，但解析度較差。可以考慮將磁能轉化為熱能的思路，例如藉助磁納米顆粒功能化的熱敏辣椒素受體提供觸覺。

四、典型進展

2018年5月，斯坦福大學、首爾大學、南開大學的研究團隊研發出一種具有完整皮膚功能的電子皮膚。使用電阻壓力感測器、有機環形振蕩器和突觸晶體管，能夠分辨盲文字元。其中，電阻壓力感測器由碳納米管電極/碳納米管-P3HT-聚氨酯複合彈性介電體/Au電極製成，並用SEBS和聚醯亞胺基板封裝，靈敏度與人體接近；有機環形振蕩器由奇數個偽CMOS反相器組成，將壓力感測器信號轉換為0-100Hz的電壓脈衝；突觸晶體管將電壓脈衝轉換為刺激神經的電流信號。研究人員將這種電子皮膚連接一條離體蟑螂腿的運動神經，蟑螂腿能在與外界物體接觸時發生收縮。

五、未來發展

電子皮膚對改進腦機介面，促進義肢、智能機器人、人機交互等領域的進步有重要意義。電子皮膚的研發還需解決多方面問題，包括可拉伸電子設備、信號轉換電路、神經介面等。目前，可拉伸電子設備發展速度較快，技術成熟度較高，已經生產出樣件；能輸出仿生動作電位的信號轉換電路也達到了概念驗證階段，但還需繼續優化電路、提高集成度和耐用性；神經介面方面的研究則仍然較少。

（藍海星：馬曉晨）

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