化學工程師鮑哲楠(Zhenan Bao)坐在加利福尼亞州史丹福大學的辦公桌旁，手持一張彈性的電子皮膚。它透明、柔軟、厚度不到一毫米。當她將其對著光線時，構成電子互連的金屬元件變得可見。薄如紙的電子皮膚可以和硬質電路板做很多相同的事情，而且會像皮膚一樣產生皺褶。
「我們認為皮膚是一種可穿戴電子系統。」 鮑哲楠說，「它具有你想要模仿的所有組件，以製造出更好的假肢，可穿戴傳感器和更智能的機器人。」與傳統的剛性和脆性電子不同，皮膚具有彈性。它可伸縮和自我修復。皮膚包含一個卓越的集成節能傳感器網絡，可以承受壓力、溫度等。然而，對於像鮑哲楠這樣的研究人員來說，建議使用類似皮膚的電子設備來為假肢提供觸覺，這似乎是一個自然的飛躍。
在過去的15年中，大量的化學和材料科學進步使研究人員能夠模仿許多皮膚的特性，如自愈能力、彈性和感應能力。現在，科學家們需要找到一種方法，將這些進步整合到一個單一的設計中。並且他們必須表明，這種類似皮膚的設備可以做的不僅僅是單個時間點的醫學測量，以及使人造皮膚本身足夠耐用，可以長時間佩戴。此外，不僅人類的皮膚提供了靈感，研究人員一直試圖模仿章魚等生物如何改變它們的外觀。
新皮膚
人體皮膚是一種敏感、複雜和強健的器官。它具有防水功能，被割傷後可癒合。它的眾多機械感受器可以檢測到振動、壓力和紋理等感覺，它們足夠靈敏，可以檢測微風或蒼蠅的微弱壓力。皮膚傳感器與周圍神經系統的緊密耦合負責我們的反應，使我們能夠在沒有意識到的情況下拾取不同重量、形狀和紋理的物體。但對於一個手是惰性假肢的人，或者一個試圖製造有彈性、低功耗設備的電氣工程師來說，人類的皮膚是一個奇蹟。
東京大學的電氣工程師Takao Someya表示，早期研究皮膚類電子產品的研究人員主要關注機器人應用。具有觸覺的機器人可以執行更複雜的任務，並且不太可能破壞東西或傷害人類。
但是，當Someya和他的同時代人努力讓機器人有一些皮膚的相似之處時，他們卻頻頻碰壁。柔性電子比剛性電子具有更大的彈性，但當在纏繞手指或肘狀機器人關節時，仍限制了運動範圍。 「我們很快意識到引入機械拉伸是多麼重要。沒有可拉伸性，就不可能將電子皮膚應用於關節或彎曲表面等移動部件。」Someya說，他在2003年製造了第一個大面積壓力柔性傳感器。隨著這些電子設備變得更具伸縮性，研究人員意識到材料可以使其具有生物相容性並應用於皮膚本身。
2011年，材料科學家John Rogers(現在在伊利諾州埃文斯頓的西北大學)製作了他所謂的表皮電子：一種由薄膜構成的電路，其機械特性經過精心設計，可與人體皮膚相匹配。Rogers使用一套機械和材料工程技術製造出與柔性和可拉伸表面兼容的剛性矽，這是電子工業的首選材料。
Rogers仍然使用相同的基礎技術。他實驗室的研究人員對薄矽元件進行蝕刻，然後使用專門設計的印章來拾取它們，並將它們轉移到橡膠狀材料上。剛性部件位於「孤島」上，經過機械設計以保護矽免受機械應變。矽電子元件， 包括發光二極體、電極和傳感器，通過使用kirigami製成的彈簧狀金屬線連接，kirigami是一種使用剪和疊的摺紙形式。
Rogers現在專注於醫療應用，包括假肢。為此，他與位於伊利諾州芝加哥的康復研究中心及醫院Shirley Ryan AbilityLab的仿生醫學中心主任Levi Hargrove合作。 Hargrove說，這項技術在過去十年取得了長足的進步。假肢手臂和手現在已經存在，帶有關節的手指，可旋轉的手腕和肘部。它們可以舉起沉重的重物，但是它們缺少檢測所需的傳感器，例如，一杯滾燙的咖啡，神經迅速將相應的反應信號傳回手中：放下它!
Hargrove和Rogers正在合作開發一種系統，他們希望這個系統能讓人們控制一隻假手時，就像控制一隻真手一樣，運用自如。當佩戴者想像移動手腕或握緊並打開拳頭時，他們的肌肉也會跟著收縮。一些假肢(大多數在研究實驗室中)使用肌電圖，電極放置在截肢部位的肌肉上，以接收微弱的電子收縮痕跡。然後，機載處理器解釋這些電子信號以控制假肢。這種方法很有前景但略顯笨拙，需要收縮的橡膠袖口將2毫米高的電極固定在肌肉上方。電極會刺激皮膚，袖口會感到不舒服，導致人們出汗，降低電子信號的質量。電氣讀數的準確性和細節也需要改進。
Hargrove和Rogers共同致力於提高這些系統的舒適性和準確性。他們的皮膚狀肌電圖貼片只有幾十微米厚，重量極輕，有孔可以讓汗水蒸發，且不會四處移動。到目前為止，研究人員對三個人進行了測試。每個表皮電子貼片只有幾平方釐米，當放置在殘肢上時，允許用戶控制他們的機器假肢。
但他們現在必須克服的主要挑戰是皮膚本身。 「你受到去角質的限制。」羅傑斯說，「死皮細胞的堆積會破壞粘連和電子測量的便利性。」因此，這些貼片本身最多只能持續一到兩周。 「我們想能維持幾個月，」他說。每次更換貼片時，用戶必須重新調整：位置的微小變化意味著它從一組稍微不同的肌肉中獲取信號。這樣一來，用戶都必須每次重新學習如何控制他們的機器假肢。Rogers希望與生物學家合作解決這個問題，並希望幫助他形成一種酶飽和的粘合劑來消化死皮細胞。
這些彈性貼片不僅可以拾取電子信號，還可以拾取化學信號和物理信號。一些研究人員，包括Rogers，正在使用它們來測量代謝物，如乳酸，這是肌肉疲勞的跡象，或汗液中的葡萄糖。 Someya正與東京慶應大學醫學院的皮膚科醫生合作開發電子皮膚貼片，通過測量皮膚的蒸發速率來評估過敏症。乾燥通常是過敏症的一種症狀。他正在開發超輕型傳感器，看起來像一個臨時紋身來監測血氧和心率，同時還開發了可穿戴顯示器，使數據可視化。
Someya說，電子皮膚最有希望的潛在應用之一是監測數年或數月的生命體徵和慢性疾病。在測試中，貼片的測量結果至少與傳統醫療設備一樣準確，但它們更舒適，人們甚至感覺不到。然而，在研究人員改進技術的可用性之前，不可能進行長期監測。一種方法是使傳感器一次性使用，如貼膏藥。但每次重新應用傳感器時，都必須重新校準數據計算。到目前為止，大多數研究都很短，但研究人員需要長期數據來開發他們的算法，他們希望這個問題能很快就得到解決。
尋找神經
持續運行的傳感器，例如電子皮膚的傳感器，無論是數月還是僅僅一天，都會帶來巨大的信息處理挑戰。為了處理傳統計算機所做的信息，他們必須將每個數據點發送到一個中央處理單元，效率低下且耗費電池。
為了突破這種潛在的數據衝擊，鮑哲楠正從哺乳動物和其他動物處理信息的方式來尋找靈感，這是低功率和容錯的。鮑哲楠已經描述了她所謂的「人造神經」，模仿皮膚機械感受器，神經元和將它們連接到脊髓的突觸。這種人造神經由本身有彈性的導電聚合物製成。內部的電路也是生物啟發的。人工神經將來自壓力傳感器的讀數轉換成類似於真實神經發送的電信號。然後，不是單獨處理每個信號，而是通過模擬生物突觸的電晶體將這些信號相加。這有兩個好處。一來可以幫助確保生物相容性。二來使得系統非常靈敏，可以檢測和讀取像盲文凸起一樣小的東西。
首爾國立大學化學工程師Kim Dae-Hyeong Kim說，把皮膚和神經系統之間的迴路封閉起來，讓佩戴者既能「感覺」到假肢，又能像控制真正肢體那樣自然地控制假肢，這將是一項挑戰。傳感只是這種系統的一部分。神經信號是雙向的，進入大腦後又返回，當一個人能感覺到假肢的感覺時，他們也能做出反應，不管是自願的還是非自願的。
鮑哲楠對模仿天然反應特別感興趣。例如，我們不去想它，就會迅速地將手從疼痛中抽離出來。這要歸功於對感覺數據的複雜處理：首先，所謂的傳入神經將信息從指尖傳感器傳遞到脊髓。然後，傳出神經迅速將肌肉控制信號傳回手部。鮑哲楠的人工神經已經做了類似的事情，將機械信號加起來並將它們轉換為動作信號。 鮑哲楠的團隊甚至通過將人工神經(用於控制肌肉的反射編程)連接到蟑螂的腿上來進行粗略的演示。當按壓人工神經時，腿就像被觸摸一樣抽搐。
這項工作還處於早期階段，鮑哲楠將需要證明它在人身上起作用。她希望這種柔軟的人造神經的未來版本具有生物相容性，可以與人體殘肢的神經相連。 「我們開發出的這種材料具有類似組織的柔軟性，」她說，這種柔軟，旨在確保舒適性。但是，Kim指出，研究人員仍然需要研究如何將「非生物部分與生物部分」，也就是生物合成物，長期聯繫起來。
北京清華大學柔性電子技術中心主任Xue Feng認為，除了確保生物相容性外，設計師還必須確保這些系統具有可靠的電源。目前，電子皮膚必須通過電線連接到電源，這就要求人或機器人也要拴在一起，要麼就用電池。
Xue Feng認為各種能量收集技術可以提供幫助。無需使用電線或電池意味著人工皮膚對於有假肢的人來說是可行的。 Feng的小組已經嘗試使用將機械能轉換為電能的材料。這可能意味著肘部的彎曲或者腳步聲會轉化為力量的震動。 Someya的團隊一直在研究可拉伸的皮膚狀太陽能電池，當它們被整合到電子皮膚的表層時，可以在白天供電。
與此同時，鮑哲楠已經開始研究更多生物啟發的設計，包括能夠癒合能力的電子材料。 8月，她的小組描述了一個自我修復的電子系統：一個可穿戴的心率監測器和簡單的顯示器。彈性系統依賴於聚合物的運動來「治癒」傷口。導電聚合物在被割傷後會一起回流，這意味著如果未來的機器人假肢被割傷，它就可以自行修復。
「我們了解了皮膚是如何工作的，然後我們試著看看我們如何模仿它。」鮑哲楠說。如果研究人員不僅可以使電子產品看起來像皮膚，而且還可以像它一樣起作用，這對於那些穿穿戴假肢的人來說可能會產生很大的影響。 「目前，大多數假肢只是為了美觀。」她說，「佩戴者更希望能夠準確地操縱物體，甚至恢復他們的觸覺。」
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