最牛的「可穿戴設備」——電子皮膚
編者按：中科院之聲與中國科學院上海硅酸鹽研究所聯合開設「科普硅立方」專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。
當今社會，可穿戴智能設備已經普及開來，相信大家都聽說過智能眼鏡、智能手錶、智能腕帶等，不過要說最牛的「可穿戴設備」，應當非「電子皮膚」莫屬！
圖1 電子皮膚（圖片來自網路）
電子皮膚是一種可以產生觸覺的超薄電子設備。在人們的印象中，硬體通常都是堅硬且有一定形狀的，而電子皮膚卻是像皮膚一樣柔軟的硬體，可被加工成各種形狀，用途十分廣泛。比如，它能依附在設備表面充當外衣（比如機器人外衣），還可以應用在遭遇嚴重皮膚創傷（比如燒傷或皮膚疾病）的人體修復手術中。這種新型人造皮膚可以感受外界壓力、溫度等的變化，並通過電路向我們的大腦發送信號，從而產生近乎真實的觸覺。其靈敏度之高，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量！如此高能的科技是怎麼做到的呢？
首先，我們對電子皮膚做個簡單的「解剖」，它主要是由三部分元件構成：感測器、信號轉換與傳輸電路、具有特殊蛋白的神經細胞（圖2）。通過這三類元件，電子皮膚實現了觸覺信號的接收，轉換和傳遞。不要小看這三種元件，每一個都大有來頭。
圖2 電子皮膚感應信號並傳導到大腦的示意圖
1. 首先是感測器，它是電子皮膚的感受器。感受不同的外部環境所需的感測器也不同，比如壓力感測器可以感受壓力的變化並轉換為電阻，從而實現了由壓力信號到電信號的轉變。一般壓力感測器有電容式和電阻式的形式（圖3）。
圖3 電容式和電阻式壓力感測器原理示意圖
電容式感測器（頂部）通常是通過改變兩個平行板電極之間的距離改變電容的大小，可以有很好的靈敏度和線性度。電容式感測器的電介質可以是固體聚合物，微結構彈性纖維，或是空氣介質。電阻感測器則是採用兩種機制：內部材料壓電電阻（中部）或結構化導體和電極間的接觸電阻（底部）。在第一個機制中，施加壓力可以改變半導體的能帶結構或在聚合物組分中導電填料的分布，導致電阻變化。不過，一般壓阻聚合物複合材料表現出大滯後和大幹擾，低溫度敏感性和低壓力靈敏度。科學家們研究了依賴於調製的接觸電阻的電阻感測器。接觸電阻的變化是由在導體和電極之間接觸面積變化所引起的，不是天生對溫度敏感，因此可以把混雜溫度效應最小化。此外，由於接觸電阻是一個表面效應，設備可以非常薄，從而提高靈活性和延展性，減少元素之間的串擾，使得接觸電阻式感測器備受偏愛。
2. 信號的接收之後，有一個轉換和傳輸電路（圖4）。它能夠將電阻變化轉換成電脈衝信號，隨著壓力的增加，電脈衝頻率也會相應增加。通過脈衝的大小控制感知區域的感覺和大小。改變刺激的振幅，放大器可以放大感測器陣列記錄的信號。額外的電路是為了用來控制刺激的波形。數據傳輸模塊在靈活和可伸縮的互聯上，可以記錄、轉換和傳輸從感測器到神經組織的信號。
圖4 信號轉換和傳輸電路
3. 最後科學家用纖維耦合激光器或靈活多彩發光二極體陣列（LED）等將電信號轉換為光信號，傳輸到一種特殊的神經細胞上，這種神經細胞內含有一種蛋白-特定的視蛋白(光敏蛋白質)，它可以吸收光信號並轉換為神經電信號，在潛在的介面和神經元（圖5）比如腦皮層感覺神經元引發光刺激，從而實現了神經信號的傳遞。
圖5 潛在的介面和神經元：a.大腦b.脊髓c.肌肉d.周圍神經
完成了以上三個步驟，電子皮膚也就實現了「觸覺」的傳遞過程！科學家們還在致力於研究電子皮膚並給它賦予更多的功能，比如柔韌性、耐用性、跟人體組織的相容性、舒適性等，從而為人類提供更多幫助和自然皮膚的功能延伸。
目前，全球有超過10億的殘疾人，其中6億是在亞洲，中國的殘疾人口達8500萬，其中30%是肢體殘疾。傳統假肢存在巨大的局限性，而「電子皮膚」的出現將成為醫學領域的一項重大技術革新，為數百萬患者帶來肢體「再生」的希望。而且，電子皮膚的應用並不局限在假肢，還在其他領域也有所應用，比如人體健康方面，可以測量血壓、心率等。得克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員日前宣布他們已經開發出一種新型「電子皮膚」（圖6），這種厚度只有0.3毫米的可穿戴設備能夠貼在人的皮膚上，然後對佩戴者的體征數據進行準確檢測和記錄，同時該設備還將數據上傳到至電腦，甚至還能直接向人體輸送藥物。
圖6 數據傳輸模塊
斯坦福大學研究了基於溫度感測器的電子皮膚（圖7）。當溫度發生改變時，這一材料可以產生電流，當外部物體接觸皮膚時，這一材料的電阻率將會發生改變。這種電子皮膚可以用來測量體溫。
圖7 貼在手上的電子皮膚
除應用於醫學領域之外，電子皮膚還是一種「智能表面」。從理論上來說，這一技術可被用在人和人機交互的場合。來自美國加利福尼亞大學伯克利分校的Ali Javey團隊們在這方面做的很成功。他們的團隊開發了電磁耦合的電子皮膚技術，使信號無線傳播。想像將你的手臂放在書桌旁的充電板上休息的時候還能充電。他們在《自然材料》雜誌上發表論文宣布研製出一種以塑料為材質的柔性屏（圖8），解析度為16x16像素。當你觸摸屏幕，電子皮膚就會發光，壓力越大亮度就越高。這種材料可以作為互動式壁紙，用於腕錶的屏幕，或集成進汽車儀錶盤中實現觸摸控制。
圖8 觸摸可發光的電子皮膚
雖然還有很多科學問題要解決，但電子皮膚未來可期。電子皮膚將可以與人類自然皮膚完全兼容，為人類皮膚提供必要呵護；各種創傷能夠用電子皮膚修復如初；皮膚的色澤、紋理會隨人的意念變化，讓我們一起期待電子皮膚技術的發展帶來的革命性突破吧!
參考文獻：
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來源：中國科學院上海硅酸鹽研究所
