电子皮肤功能和应用一文说清什么是电子皮肤|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

一文说清什么是电子皮肤

与传统的块状电子器件不同，“柔性电子”，指的是可以变得像纸或手机膜一样轻薄柔软，还能像橡皮一般有弹性，类似的这种电子器件。

在“柔性电子”的应用方面，“电子皮肤”是最不可忽视的。所谓“电子皮肤”，即为借助柔性电子技术制造像人体皮肤的电子器件。该电子器件需要像人的皮肤一样柔软，同时更需要拥有和皮肤一般的触觉感知能力。甚而，它还具备强于皮肤的方面，比如，帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号，提升人类与环境或自身的交互能力。

皮肤作为人体最大的器官，是触觉的载体，为我们提供环境中的物理信息。我们能感受到物体的硬度，是因为我们的皮肤中分散着许多的压力感受器，这些感受器可以根据皮肤与物体接触时感受到的力的大小来分辨物体的软硬程度。所以，通过压力传感器，电子皮肤也可以感知物体软硬程度。有多种方式可以达到压力传感的效果，其中最简单和最常用的一种是压阻式压力传感器，利用导电材料在形变时产生的电阻变化来实现传感。

借助柔性压力传感器，还可以实现对物体形状的感知。我们的皮肤各处分散着压力感受器，但只有接触到物体的感受器才会给我们大脑发送信号。麻省理工学院的科研人员设计出了一种低成本的可伸缩触觉手套，上面分布着548个压阻型压力传感器，每个传感器可感知到的压力数值都能被详细记录下来。他们利用这个手套抓握了杯子、勺子、笔、石头等物体，记录手套抓握的数据，并录制视频。然后利用这些数据训练深度学习网络，从而鉴定出不同的物体。

通过柔性电子技术构建对硬度、压力、形状和材质的感知，再与柔性拉伸传感器、温度传感器等集成，我们基本就能构建拥有触觉的电子皮肤。

电子皮肤最直接的应用就是智能机器人。机器人拥有触觉后，就能更充分、精准地读取环境中的压力信号，从而行动也会更为精准、多样、有效。比如，现在的机器人缺乏对物体精确的力量反馈，不能对小尺寸、柔软的物体实行精准的抓握和操纵。而电子皮肤则可提供精细的力学反馈，帮助未来的机器人完成准确的抓握和操纵任务。

不过，尽管我们可以在传感器层面上实现对物体的感知，但将传感器信号有效地转换为大脑能够理解的神经电信号仍旧十分困难。但通过仿生，我们仍有望解决这个问题。

皮肤内的多种触觉感受器将捕捉到的触觉信息通过多层中间神经元传输到脊椎，神经纤维内的多种传入神经和突触会将感受器的传入信号进行编码和分离。最后脊椎将编码和分离后的信号传输到大脑。针对这个问题，科学家们发明了人造传入神经。这种人造传入神经有三个核心成分：压阻型压力传感器、有机环形震荡器和突触晶体管。压力传感器负责获取压力信息。环形振荡器代替神经纤维，将压力信号转化为与感觉神经元动作电位的频率相匹配的电压脉冲。突触晶体管将这些脉冲信号整合并转化为突触后电流，并与生物体内的传出神经对接，形成一个完整的单突触反射弧。

随后，他们将人造传入神经与蟑螂腿上的传出神经对接，对压力传感器施加一定压力。压力信号转换成突触后电流，电流经过放大后传输到蟑螂腿上的传出神经，成功地驱动了蟑螂腿的运动。

蟑螂腿被人造神经控制机理（图片来源：Science）

如果采用脑机接口技术，用编码后的信号对大脑特定区域和细胞进行刺激，就能够实现触觉体验。然而，因为目前对知觉的神经编码的理解十分有限，再加上脑机接口技术的发展需要进一步突破，我们目前离攻克这一技术难题还有一定距离。

除了建立触觉系统，我们还可以利用柔性电子技术使各类传感器拥有皮肤一般的性质，比如柔软、可拉伸、自愈合等，然后将它们覆盖在皮肤上或衣服上，随时随地感知环境和自身的信息。此外，人们还能借助其他物理化学原理来让电子皮肤具备更多功能。比如，针对外界环境而言，电子皮肤可被用来感知阳光中紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等；针对人体自身而言，电子皮肤可无创地监测体液中血糖等生理指标信息，采集脑电、肌电和心电信息等。

电子皮肤究竟拥有怎样的感知功能和自愈能力？

作者/娄正

艾米·穆林斯（Aimee Mullins）是一名运动员、模特，也是一名演员，但同时，她也是一位小腿截肢的残疾人。凭借着非凡的毅力和坚强的内心，以及每次出门都要携带的装有20双适合不同场合义肢的行李箱，艾米惊艳了世界，也成就了自己。显然，义肢不仅仅成为她行动上的支撑，更成为了一种美学的装饰。但是，当前的义肢即使做的再精美华贵，在功能性和整体性上都不能与人体本身相提并论。而如今，电子皮肤（E-skin）的出现为义肢的发展，乃至人类医疗的发展提供了新的机遇。

电子皮肤是一类具有多重感知能力的电子产品，通过采用柔性、可愈合材料作为基底，使其能够 向人类或者其他生物皮肤一样同时具备感知和柔韧的特性。在科技发展的今天，科学家们对电子皮肤做出了相当多研究，也催生出了许多实用性产品。

一家名为MC10的公司研发出了一款名为生物印章（BioStamp）的医疗监测产品，通过这种柔性无线传感器贴敷在人体的特定位置，就能够实时监测睡眠时间、姿势、心率曲线等生理参数。相比于智能手表的光电容积脉搏波描记法对心率的检测，这种方式的精度更高，再配合物联网的实时上传功能，对用户来说可谓意义重大，尤其是对于潜在心脏病患者，心电图的准确描绘能够帮助他们提前预防心脏疾病的发生，并在发现后及时获救。

受限于制作成本和电子皮肤本身的前景，当前最为广泛应用的方向显然是医疗领域。而随着器件小型化进程的发展以及云处理能力的进一步提升，像生物印章之类的产品将会越发轻巧纤薄，能够像人类皮肤一样完全贴敷在人体表面也不再是天方夜谭。在2017年的美国消费电子展（CES）上，来自中国的Rotex公司展示出了一种名为电子文身的柔性电子产品。

得益于平面电子产品制备技术的发展，这种电子产品非常纤薄，可以直接贴在人体的任意皮肤处，并且能够有效地收集生理代谢物、体温等身体信号。采用平面电子元件也带给这种技术另外一个好处——它能够兼容目前市面上的卷对卷的制备工艺，从而实现制备成本的下降。

Rotex公司展示出了一种名为电子文身的柔性电子产品

通过对电子皮肤的功能进行特殊设计，小小的电子皮肤可以对人体和外界的多种信息进行采集和传输。除冷热、湿度、触觉这些皮肤本身所拥有的功能之外，嗅觉和听觉这些本不属于皮肤功能的部分也可以被集成到电子皮肤的序列当中。

更神奇的是，某些人类本身所不具有、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。搭配上目前已经实现的人体自主控制的人造肢体，如美国国防部先进技术局（DARPA）生产的LUKE仿生假肢，某些残疾的人即可获得灵活的肢体控制和全面的感知系统，从而变得比正常人更加强大。因此，从功能性的角度来看，电子皮肤的能力或将在不远的将来远超人类皮肤，它将赋予人类更多、更强大的功能。

得益于细胞的全能性，人体在一定的损伤范围内能够实现在功能和外观的自我修复。比如手指被割破后几分钟，血管中聚集的纤维蛋白大分子和血小板就能构建起一道密集的血栓来阻止血液外流；而在之后的很长一段时间里，纤维细胞和纤维蛋白就像织布一样重新修复伤口部位；最后经过皮肤组织的更替，受伤部位的皮肤跟周围的就再难看出差别了。认识了人体修复的基本原理后，科学界受到启发也提出了电子皮肤自我修复的理论。

首先，大部分柔性材料本身的有机聚合物体系就是通过长链的聚合物分子缠结形成的，在条件（如温度和湿度）允许的情况下，材料本身就可以通过动态共价键或者非共价键的再生以及聚合物链在受损界面的重新缠结来重建。其次，即使某些聚合物本身无法实现自愈，通过事先添加愈合剂到电子皮肤的基底材料当中也能够使其在受到损伤后完成一定次数的愈合。

从效果上来看，电子皮肤的自愈能力和人类皮肤相比仿佛没什么优势，甚至还有损坏主要电路后无法恢复正常工作的可能性，但是要知道，化合物的自愈条件是可以通过调整材料体系实现人为控制的。许多人体无法正常恢复的环境，如高温、高湿度、高盐浓度的条件下，环境本身对于伤口就存在着二次伤害的危险，而自愈材料的恢复条件较为宽泛，甚至可以人为地创造条件。

另外，相对于人体表皮自愈，电子皮肤的自愈时间也往往更为简短。来自天津大学的科研团队研制成功的“全天候自愈合材料”就具备这种超强的环境兼容性，在24小时恢复时间的对比实验下，无论是在零下40℃的低温下，亦或是在过冷高浓度盐水中，甚至是在强酸强碱的环境中，该电子皮肤材料都能够实现50%~90%的自愈效率，并且不会损失太多的性能。