应用与电子皮肤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。

仿人类三维电子皮肤问世

【瞧！我们的前沿科技】

光明日报北京6月5日电记者邓晖 从清华大学获悉，该校航天航空学院、柔性电子技术实验室张一慧教授课题组在国际上首次研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤，可在物理层面实现对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知，对压力位置的感知分辨率约为0.1毫米，接近于真实皮肤。相关研究成果日前在国际学术期刊《科学》发表。

复刻人类皮肤源于自然演化的高级感知功能，是电子皮肤、机器人等前沿科学技术领域长期追求的目标。然而目前，尚未有电子皮肤能够复现人体皮肤中机械感受器的细微观三维空间分布形式，进而像皮肤一样，在物理层面实现压力、剪切力、应变等多种机械信号的同步解耦感知。

据悉，这一新型电子皮肤受人类皮肤中机械感受器空间分布形式的启发，其结构中的力与应变传感器的三维分布，效仿了人类皮肤中梅克尔细胞和鲁菲尼氏小体的空间分布形式，使该器件能够从物理层面解耦地测量压力、剪切力和应变。与皮肤结构类似，该三维电子皮肤也由“表皮”“真皮”和“皮下组织”组成，且各层的有效模量与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路主要位于“真皮”层中，其中力传感单元设计为八臂笼状结构，传感器位于笼状结构上部，更靠近电子皮肤表面，因而对外部作用力高度敏感；应变传感器位于器件底部的拱形结构上，在垂直高度上与力传感单元上部的传感器保持一定的距离，因此只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。

课题组基于这种具有三维架构的电子皮肤，结合深度机器学习算法，研制出只需通过触摸便可同时测量物体模量及局部主曲率的先进触觉系统，展示了其在判别食物新鲜程度等真实场景中的应用。

“电子皮肤实际上是模仿人类皮肤感知功能的一种新型传感器，未来可装于医疗机器人指尖进行早期诊疗，还可像创可贴一样贴在人的皮肤上实时监测血氧等健康数据。”张一慧认为，这款仿生三维电子皮肤为电子皮肤的研发和应用提供了新路径，在工业机器人、生物医疗、人机交互等多方面具有广阔应用前景。

《光明日报》（2024年06月06日 08版）

来源：光明网-《光明日报》