人造柔性电子皮肤获得新突破，或打开元宇宙的触觉之门

来源丨元宇宙简史

作者丨元宇宙简史主理人 Fun

【元宇宙导读】近日，美国科学家研制出一种人造柔性电子皮肤贴片，可以将压力或热量转换为大脑信号，并通过人工突触传递给神经元和肌肉。实验表明，这种电子皮肤可以模拟真实皮肤的感知功能和信息传递机制。本文将详细介绍该电子皮肤的原理、方法和前景。

皮肤是人体最大的器官，也是最重要的感觉器官之一。

它可以感知外界的温度、压力、疼痛等多种刺激，并将这些信息传递给大脑，从而产生相应的反应。

然而，对于那些因为烧伤、创伤或截肢等原因失去了部分或全部皮肤的人来说，这种感觉是无法恢复的。他们不仅失去了与外界交流的能力，也失去了对自己身体的控制和保护。

为了帮助这些人重新获得触觉，科学家们一直在努力开发人造皮肤，即能够模拟真实皮肤功能的电子设备。

目前已经有一些人造皮肤产品投入市场或临床试验，例如用于监测婴儿或运动员的生理指标的贴片，或者用于增强机器人或虚拟现实系统的交互性能的传感器。

但是，这些人造皮肤还存在一些局限性，例如不能实现与神经系统的直接连接，不能模拟多种感觉刺激，或者不能适应复杂和动态的环境。

近日，美国斯坦福大学化学工程师鲍哲南（Zhenan Bao）领导的团队，在《科学》杂志上发表了一项突破性的研究成果。

他们研制出了一种全新的人造柔性电子皮肤贴片，可以将压力或热量传感器的信号转换为大脑信号，并通过一个人工突触装置将其传递给神经元和肌肉。

在对大鼠的实验中，他们将这种电子皮肤与大鼠的运动皮层相连，并发现当触摸该皮肤时，会刺激大鼠踢腿。这表明该电子皮肤不仅可以模拟真实皮肤的感知功能，还可以模拟真实皮肤与神经系统和运动系统之间的信息传递和反馈机制。

要制造出这样一种高度仿生的电子皮肤，科学家们需要克服两个主要难题：如何让电子元件变得柔软和灵敏，以及如何让电子信号变得与生物信号兼容。

为了解决第一个难题，科学家们利用了一种名为聚合物介电体的材料。介电体是半导体器件中的一个重要组成部分，它可以决定器件的信号强度和所需电压。

通常情况下，介电体是由硬质材料制成的，但科学家们发现了一种可以使介电体变得柔软和可拉伸的方法：在聚合物分子中加入一些特殊的化学基团，使其具有自我修复和自我组装的能力。

这样就可以使介电体在受到损伤或变形时自动恢复原状，并且可以在低温下通过简单地涂抹或印刷等方式制成所需形状。

利用这种柔性介电体，科学家们制造出了一个由数百个晶体管组成的集成电路阵列，并将其封装在一个薄薄的聚合物膜中，这个集成电路阵列就是该电子皮肤贴片。

贴片上还安装了两种不同类型的传感器：一种是压力传感器，可以检测到不同程度和方向的力；另一种是温度传感器，可以检测到不同温度下导致分子运动变化的热量。

当这些传感器受到外界刺激时，它们就会产生一个与刺激强度成正比的电压信号，并通过集成电路阵列进行放大、调节和编码。

为了解决第二个难题，科学家们设计了一个人工突触装置，用来模拟生物突触——神经元之间传递信息和记忆信息的结构。该装置由两个金属电极和一个液态离子导体组成。当两个电极之间施加一个电压时，液态离子导体中就会产生一个可控制大小和方向的离子流，从而实现对信息信号的调节和转换。

该装置还具有可塑性，即根据输入信号频率和强度调整输出信号强度，从而实现对信息信号的记忆和学习。

通过将人工突触装置与集成电路阵列相连，并通过导线将其与大鼠运动皮层中控制后腿运动区域相连，在实验中科学家们发现当他们用手指轻轻按压或加热该电子皮肤时，就会引起大鼠后腿不同程度和频率地抽动。

这说明该电子皮肤成功地将机械或热刺激转换为神经元能够识别并响应的信号，并通过人工突触装置将其传递给神经元和肌肉。

该研究是迄今为止，最接近真实皮肤功能和结构的人造柔性电子皮肤之一。

它不仅具有高灵敏度、高可塑性、高稳定性等优点，还具有与生物信号兼容的特性，可以实现与神经系统和运动系统的无缝对接。这为人造皮肤在医疗和生物领域的应用提供了巨大的潜力。

例如，该电子皮肤可以用来覆盖在假肢或植入式器官上，从而让失去了部分或全部身体的人重新感受到触摸，甚至是疼痛。这不仅可以提高他们的生活质量和自信心，也可以帮助他们更好地控制和保护自己的身体。

此外，该电子皮肤还可以用来治疗一些由于神经损伤或退化导致的感觉丧失或异常的疾病，例如糖尿病足、神经性皮肤溃疡、神经性瘙痒等。通过将电子皮肤与受损或缺失的神经相连，可以恢复或重建正常的感觉功能，从而减轻患者的痛苦和并发症。

除了医疗和生物领域，该电子皮肤还可以在其他方面发挥作用。

它可以用来增强虚拟现实系统或机器人的交互能力，让它们能够更好地感知和适应环境，以及更自然地与人类沟通和协作。

它也可以用来制造一些新型的电子设备或玩具，例如可以变色或变形的智能衣服、可以模拟真实触感的游戏手柄等。

总的来说，该电子皮肤是一项具有创新意义和实用价值的科学成果，它为人造皮肤的发展开辟了新的可能性和无限想象。

当然，该电子皮肤还有一些需要改进和完善的地方，例如如何实现无线传输、如何提高耐久性和安全性、如何降低成本和规模化生产等。

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