電子皮膚近年來發(fā)展迅速 多項技術(shù)已實現(xiàn)重大突破

如今可能人人都聽過「黑科技」這個詞。

百科介紹，「黑科技」一詞源于日本編劇賀東招二的輕小說《全金屬狂潮》，原指非人類自力研發(fā)、凌駕于人類現(xiàn)有科技之上的知識。

在我們的日常語境中，「黑科技」則代表著當(dāng)前人類無法實現(xiàn)或根本不可能產(chǎn)生的技術(shù)、產(chǎn)品，或是現(xiàn)實中那些 “不明覺厲”的新硬件、新軟件、新技術(shù)、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”的黑科技是什么?

有人認(rèn)為是能在火星移民時派上用場的 “人造光合作用”技術(shù);有人覺得應(yīng)該給受鼻涕蟲啟發(fā)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(rèn)為一種能吸收 99.96% 光線的新材料可以說是 “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(chǎn)品——「電子皮膚」應(yīng)該擁有姓名。

「電子皮膚」，具體能做什么?

電子皮膚有這樣兩類意義。

第一，在人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面，它可以協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，幫助配有假肢的群體恢復(fù)對外界的真實感知。

這一點正如人造皮膚領(lǐng)域 “材料大師”、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南投身電子皮膚領(lǐng)域時的初心：

Make human more human.(讓人類更加人性化。)

第二，電子皮膚能應(yīng)用于機器人，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(yīng)。

那么，這項黑科技曾經(jīng)歷過何種蛻變?當(dāng)前發(fā)展程度如何?

就在最近，知名學(xué)術(shù)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)的文章復(fù)盤了電子皮膚的最新發(fā)展及蛻變史。

東京大學(xué)Takao Someya 團隊：電子皮膚的初實踐

其實，電子皮膚的研究最早源于電子閱讀器和曲面電視中的組件，而研究這些組件的，則是致力于研究柔性碳基分子或聚合物導(dǎo)電的科學(xué)團隊。

概括來講，有機電子學(xué)領(lǐng)域研究人員旨在研究用于顯示和照明的有機發(fā)光二極管、用于顯示底板和大面積電子器件的晶體管、以及用于太陽能收集的光伏電池。在某種程度上，以上設(shè)備都將受益于其形式的靈活性。

如何實現(xiàn)所謂 “形式的靈活性”，研究人員將目光放在了我們今天常說的可穿戴電子產(chǎn)品上。

研究人員最早在 2004 年做出了成功實踐。當(dāng)時，日本東京大學(xué)工程學(xué)院電氣與電子工程系教授 Takao Someya及其團隊發(fā)表了一項研究成果。

論文顯示，該團隊開發(fā)出一種 8 厘米 × 8 厘米的柔性機器人皮膚貼片，由多層高性能、壓力感應(yīng)的聚酰亞胺塑料、有機半導(dǎo)體并五苯(pentacene)和幾層金、銅電極組成，內(nèi)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：

我們采用了一種主動矩陣，做出了為柔性顯示器開發(fā)的驅(qū)動電路，它賦予了機器人一種從未有過的東西：觸覺，即對壓力做出反應(yīng)的能力。

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

美國西北大學(xué)John Rogers 團隊：將電子皮膚用于抗疫

說起抗擊新冠疫情，你可能很難想到，材料科學(xué)家也沖在了最前線。

1995 年，美國材料科學(xué)家、物理化學(xué)家 John A. Rogers 獲得了 MIT物理化學(xué)博士學(xué)位，1997 年加入貝爾實驗室凝聚態(tài)物理研究部門，隨后進入美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校成為工程學(xué)系創(chuàng)始人。

如今，作為美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科教授，John A. Rogers 領(lǐng)導(dǎo)著一個關(guān)注開發(fā)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(fā)表研究成果，展示了一種可藍(lán)牙連接的聚合物電路設(shè)備。將這種設(shè)備放在喉嚨底部凹陷處，就可以實現(xiàn)對說話、心率等生命體征的實時監(jiān)控，或是對患有中風(fēng)的人群提供言語治療。

在 2020 年新冠疫情肆虐期間，這種電子皮膚經(jīng)定制設(shè)計后，被應(yīng)用于美國芝加哥市的病毒早篩、病情監(jiān)測等工作。

實際上，John A. Rogers 是世界上最多產(chǎn)的可穿戴皮膚電子研究者之一。西北大學(xué)官網(wǎng)顯示，他曾發(fā)表過 750 余篇論文，發(fā)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(yīng)用，例如監(jiān)測早產(chǎn)兒的生命體征和運動員的水合作用;使得機器人獲得更加細(xì)微、類似人類的觸感。

劍橋大學(xué) George Malliaras 團隊：實現(xiàn)電子皮膚毫無佩戴感

可穿戴設(shè)備存在兩種挑戰(zhàn)，一是工程師如何解決化學(xué)問題，二是化學(xué)家如何解決工程問題。

這一觀點來自于英國劍橋大學(xué)生物電子學(xué)教授 George Malliaras。在他看來，電極和人之間保持接觸并不容易，因為皮膚會隨著人的移動受到拉伸、褶皺和彎曲。要固定電極，其實可以用到凝膠，但由于凝膠是水溶液，隨著時間的推移會變干，因此其穩(wěn)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。

原因就在于，離子液體由室溫下呈液態(tài)的鹽組成，蒸發(fā)速度慢，且導(dǎo)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(jié)合，創(chuàng)造了一種能夠容納金電極和導(dǎo)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(xué)Takao Someya 團隊指出，George Malliaras 團隊設(shè)計的這類設(shè)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(wǎng)，包括一個類似意大利面形狀的聚乙烯醇(PVA)網(wǎng)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。

斯坦福大學(xué)鮑哲南團隊：讓傳感器在體內(nèi)工作

幾個月前的騰訊科學(xué) WE 大會上，人造皮膚領(lǐng)域的 “材料大師”、著名化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南在演講中談到了實現(xiàn)人造皮膚的三大挑戰(zhàn)及對應(yīng)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(fù)、可生物降解。

第二，人造皮膚需要真正感知到壓力、溫度，可以細(xì)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(jié)合起來。

實際上，在電子皮膚領(lǐng)域，鮑哲南教授名氣不小。

不同于上述幾位大牛的研究思路，其團隊并沒有創(chuàng)造傳感器，然后做到使傳感器與皮膚兼容——他們采用了分子方法，從一開始就考慮到電子皮膚的靈活性，設(shè)計有機聚合物和電子元件。

正如鮑哲南所言：

我們從分子水平設(shè)計它們，使得類似皮膚的特性成為新材料的固有特性。

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

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

早在 2010 年，他們就用彈性聚合物 PDMS 開發(fā)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(shù)應(yīng)用到一種特殊的手套中，戴上手套后，輕輕按壓覆盆子也不會將其壓碎。

此后，鮑哲南進一步發(fā)展了這一技術(shù)：讓傳感器在體內(nèi)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(shù)后持續(xù)監(jiān)測血流。為了讀出信號(血液脈沖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(fā)送到遠(yuǎn)程接收器。

此后其目標(biāo)則是讓這些傳感器覆蓋身體的更多部位，同時保持細(xì)胞分辨率。

寫在最后

自然，上述研究成果可能代表了電子皮膚領(lǐng)域的最前沿成就，但全球科學(xué)家們在這一領(lǐng)域的努力絕不僅限于此。

監(jiān)測囊性纖維化患者的汗液生物標(biāo)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溫度的情況等等，都是電子皮膚已經(jīng)實現(xiàn)的突破。

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

關(guān)鍵詞： 電子 皮膚 技術(shù)