新型電子皮膚，終將終結可穿戴設備？

2020-09-09 大健康派

電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激（壓力、溫度、溼度）的新型電子器件。電子皮膚作為一種柔性觸覺仿生傳感器已經廣泛地應用於人體生理參數檢測與機器人觸覺感知等領域，近年來是世界各國研究者廣泛關注的熱點。曾有業內人士指出，電子皮膚的出現有可能終結所有可穿戴設備。

01 新型電子皮膚

近日，澳大利亞墨爾本皇家理工大學的科學家宣布開發一種能夠感知疼痛、溫度和壓力的人造皮膚材料。這是一項顛覆性的研究，因為它複製了真實皮膚對刺激的反應，刺激通過神經通路向大腦發送適當的電信號。這項技術預計將允許通過假肢和假腿進行逼真的觸覺傳遞，甚至可能有助於用人造溶液替代皮膚移植物。

據RMIT報導，墨爾本皇家理工大學研發的電子皮膚「複製」了我們的天然皮膚如何檢測疼痛，發出信號的速度與健康神經一樣快。Madhu Bhaskaran在《Advanced Intelligent Systems》雜誌上發表了一篇描述這一技術的研究報告，其相應作者表示：「我們一直通過皮膚感知事物，但我們的疼痛反應只在某個特定點發生，比如當我們觸摸太熱或太尖銳的東西時。」迄今為止，還沒有任何電子技術能夠逼真地模擬人類的疼痛感覺。我們的人造皮膚在壓力、熱量或寒冷達到令人痛苦的臨界點時會立即做出反應。」

為了實現完全擬真電子皮膚，研究人員製作了三個獨立的裝置，包括一個感知壓力的裝置、一個感知溫度的裝置和一個感知疼痛的裝置（未來可能會將其合併成一個裝置），這就需要一種新的方法來製造可拉伸的電子產品，使用氧化物材料和矽樹脂材質來製作可彎曲，不易斷裂的表層。感溫裝置採用了一種新開發出的特殊的溫度敏感塗層，這種塗層可以快速自我轉變，這種轉變可以用電子學方法立即測量出來。最後一個必要的組成部分是類似大腦的記憶細胞，用來決定如何處理感官數據，並在達到極限時發出正確的信號。

該研究的合作者之一，醫學博士阿塔爾拉赫曼(Md. Ataur Rahman)說：「我們基本上創造了第一個電子體感——複製了人體複雜的神經元系統、神經通路和感受器的關鍵特徵，這些系統驅動著我們對感覺刺激的感知。」「雖然一些現有技術使用電信號來模擬不同程度的疼痛，但這些新設備可以對真實的機械壓力、溫度和疼痛做出反應，並提供正確的電子響應。這意味著我們的人造皮膚知道用手指輕輕觸針和不小心用針刺傷自己之間的區別——這是一個以前從未用電子技術實現的重要區別。」

02 以往對電子皮膚的研究

在柔性電子領域全球領先的三個實驗室分別位於：史丹福大學、美國西北大學和東京大學。

東京大學Takao Someya教授致力於研發可以傳達人體內部情況的電子皮膚。這個電子皮膚可以給外科醫生提供體徵數據，當身體將生病時提供警報，甚至可以通過觸覺來診斷另一個人體內的疾病。

（圖片截圖自CNN，版權屬於原作者）

Someya團隊已經成功研發了可用於測試含氧量的電子皮膚。通過點亮紅色，綠色或藍色的微電子元件清晰地顯示讀數。超薄電子皮膚貼在手上可以變成數字顯示屏顯示信息。Someya希望未來這些電子皮膚能應用於監測手術過程中相關器官的含氧量水平。

（Someya教授研發的電子皮膚，版權屬於原作者）

另一位學術大牛美國西北大學John Rogers教授的電子皮膚也已經嘗試在各個方面應用。除了在醫療方面鑽研汗液成分、溫度、壓力等健康信息，Rogers教授在假肢佩戴感知方面也頗有建樹。

（John Rogers教授和他帶領研發的電子皮膚，可以在身體的任何地方佩戴。版權屬於原作者）

Rogers教授的電子皮膚已有的商業合作項目非常有趣，比如說使用皮膚紋身監測陽光中UV值。以及最近和某化妝品品牌達成的合作，使用比創可貼更小的電子皮膚給客戶測試皮膚的pH值、含水量等信息，再根據數據結果推薦化妝品。

03 國內相關研究

我國在此領域的研究可謂碩果纍纍，拿到成果的團隊不少，如中國科學院大學王中林院士團隊的研究了一種基於全納米纖維摩擦電納米發電機的透氣、可生物降解、抗菌且自供電的電子皮膚。可以實現對全身生理信號和關節運動的實時自動監測。另外該團隊還推出了基於聚乳酸的壓電和駐極體混合納米發電機的電子皮膚，該研究非壓電介孔聚乳酸（meso-PLA）駐極體型摩擦電納米發電機（NG）的高輸出電壓與雙層聚乳酸（PLLA）的相對高的電流相結合的納米發電機（PENG），用於電子皮膚（電子皮膚）（HMI）設備應用。

鄭州大學材料科學與工程學院代坤教授團隊通過多層熱塑性聚氨酯（TPU）/銀納米線（AgNWs）/還原氧化石墨烯（rGO）製造了基於超可拉伸摩擦納米發電機（STENG）的柔性自供電電子皮膚，可用於能量收集和觸覺傳感。

中山大學材料科學與工程學院衣芳教授與清華大學精密儀器系智能微系統實驗室王曉峰教授團隊基於單電極模式摩擦電納米發電機（TENG）並結合BiTO和rGO專門製備的熱阻電極，開發了一種可以同時實時檢測和區分溫度和壓力，而且還具有良好的柔韌性的觸覺電子皮膚，可同時檢測和區分溫度和壓力。

廈門大學物理科學與技術學院劉向陽教授團隊通過再生的絲素蛋白（SF）和聚氨酯之間的強相互作用，對SF進行介觀摻雜，合成了堅固而耐熱的絲素蛋白複合膜（SFCM）。在微加工後，可得到可拉伸、耐熱蠶絲蛋白基電子皮膚，可進行人體溫度調節的電子皮膚。

結語：目前，全球有超過10億殘疾人，其中6億在亞洲，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。此外，電子皮膚能在預測腦中風、檢測腦部腫瘤、日常測量血壓、心率等多個領域發揮作用，當未來技術成熟，或許取代可穿戴設備不是一句空談。

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