電子皮膚究竟擁有怎樣的感知功能和自愈能力？

作者/婁正

艾米·穆林斯（Aimee Mullins）是一名運動員、模特，也是一名演員，但同時，她也是一位小腿截肢的殘疾人。憑藉著非凡的毅力和堅強的內心，以及每次出門都要攜帶的裝有20雙適合不同場合義肢的行李箱，艾米驚豔了世界，也成就了自己。顯然，義肢不僅僅成為她行動上的支撐，更成為了一種美學的裝飾。但是，當前的義肢即使做的再精美華貴，在功能性和整體性上都不能與人體本身相提並論。而如今，電子皮膚（E-skin）的出現為義肢的發展，乃至人類醫療的發展提供了新的機遇。

電子皮膚是一類具有多重感知能力的電子產品，通過採用柔性、可癒合材料作為基底，使其能夠向人類或者其他生物皮膚一樣同時具備感知和柔韌的特性。在科技發展的今天，科學家們對電子皮膚做出了相當多研究，也催生出了許多實用性產品。

一家名為MC10的公司研發出了一款名為生物印章（BioStamp）的醫療監測產品，通過這種柔性無線傳感器貼敷在人體的特定位置，就能夠實時監測睡眠時間、姿勢、心率曲線等生理參數。相比於智能手錶的光電容積脈搏波描記法對心率的檢測，這種方式的精度更高，再配合物聯網的實時上傳功能，對用戶來說可謂意義重大，尤其是對於潛在心臟病患者，心電圖的準確描繪能夠幫助他們提前預防心臟疾病的發生，並在發現後及時獲救。

受限於製作成本和電子皮膚本身的前景，當前最為廣泛應用的方向顯然是醫療領域。而隨著器件小型化進程的發展以及雲處理能力的進一步提升，像生物印章之類的產品將會越發輕巧纖薄，能夠像人類皮膚一樣完全貼敷在人體表面也不再是天方夜譚。在2017年的美國消費電子展（CES）上，來自中國的Rotex公司展示出了一種名為電子文身的柔性電子產品。

得益於平面電子產品製備技術的發展，這種電子產品非常纖薄，可以直接貼在人體的任意皮膚處，並且能夠有效地收集生理代謝物、體溫等身體信號。採用平面電子元件也帶給這種技術另外一個好處——它能夠兼容目前市面上的卷對卷的製備工藝，從而實現製備成本的下降。

Rotex公司展示出了一種名為電子文身的柔性電子產品

通過對電子皮膚的功能進行特殊設計，小小的電子皮膚可以對人體和外界的多種信息進行採集和傳輸。除冷熱、溼度、觸覺這些皮膚本身所擁有的功能之外，嗅覺和聽覺這些本不屬於皮膚功能的部分也可以被集成到電子皮膚的序列當中。

更神奇的是，某些人類本身所不具有、而其他生物具有的感受能力，如磁感受能力甚至也能加入其中。搭配上目前已經實現的人體自主控制的人造肢體，如美國國防部先進技術局（DARPA）生產的LUKE仿生假肢，某些殘疾的人即可獲得靈活的肢體控制和全面的感知系統，從而變得比正常人更加強大。因此，從功能性的角度來看，電子皮膚的能力或將在不遠的將來遠超人類皮膚，它將賦予人類更多、更強大的功能。

得益於細胞的全能性，人體在一定的損傷範圍內能夠實現在功能和外觀的自我修復。比如手指被割破後幾分鐘，血管中聚集的纖維蛋白大分子和血小板就能構建起一道密集的血栓來阻止血液外流；而在之後的很長一段時間裡，纖維細胞和纖維蛋白就像織布一樣重新修復傷口部位；最後經過皮膚組織的更替，受傷部位的皮膚跟周圍的就再難看出差別了。認識了人體修復的基本原理後，科學界受到啟發也提出了電子皮膚自我修復的理論。

首先，大部分柔性材料本身的有機聚合物體系就是通過長鏈的聚合物分子纏結形成的，在條件（如溫度和溼度）允許的情況下，材料本身就可以通過動態共價鍵或者非共價鍵的再生以及聚合物鏈在受損界面的重新纏結來重建。其次，即使某些聚合物本身無法實現自愈，通過事先添加癒合劑到電子皮膚的基底材料當中也能夠使其在受到損傷後完成一定次數的癒合。

從效果上來看，電子皮膚的自愈能力和人類皮膚相比仿佛沒什麼優勢，甚至還有損壞主要電路後無法恢復正常工作的可能性，但是要知道，化合物的自愈條件是可以通過調整材料體系實現人為控制的。許多人體無法正常恢復的環境，如高溫、高溼度、高鹽濃度的條件下，環境本身對於傷口就存在著二次傷害的危險，而自愈材料的恢復條件較為寬泛，甚至可以人為地創造條件。

另外，相對於人體表皮自愈，電子皮膚的自愈時間也往往更為簡短。來自天津大學的科研團隊研製成功的「全天候自癒合材料」就具備這種超強的環境兼容性，在24小時恢復時間的對比實驗下，無論是在零下40℃的低溫下，亦或是在過冷高濃度鹽水中，甚至是在強酸強鹼的環境中，該電子皮膚材料都能夠實現50%~90%的自愈效率，並且不會損失太多的性能。

生物進化的初衷是為了能夠生存下去、適應環境的變化，而人類在如今的時代中不僅能夠利用條件適應環境，還能夠通過工具有效地改造環境使其更適合人類生存。自然在人類進化中的推動作用在逐漸減小，而電子皮膚這一新興人類文明產物將促使人類文明與電子文明進一步融合，賦予人類更為有力的工具去探索和改造未知的世界。

本文來自《知識就是力量》雜誌