新型电子应用有哪些 突破性进展！我国科学家开发出一种新型电子皮肤，可比拟人类皮肤

突破性进展！我国科学家开发出一种新型电子皮肤，可比拟人类皮肤

新型电子皮肤轻薄柔软，集成度高（图片来源：参考文献 1）新型电子皮肤电路概念图（图片来源：参考文献 1）版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷

想象一下，如果你能给机器人穿上一件“魔法外衣”，让它能像人类一样感受触摸、压力和摩擦，那会是什么样子？这已不再是科幻小说中的遐想，它已成为现实。

清华大学的科学家们最近在电子皮肤领域取得了突破性进展， 他们开发出了一种具有仿生三维架构的新型电子皮肤，为未来的机器人技术和医疗设备带来了革命性的可能。

仿生三维电子皮肤实物图。图片来源：清华大学

模仿自然的奇迹：电子皮肤的诞生

电子皮肤是一种模仿人类皮肤功能的高科技传感器系统。它就像是机器人或智能设备的第二层皮肤，能够感知外界的各种刺激。

长期以来，科学家们一直在努力让电子皮肤更接近人类皮肤的复杂功能。而清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室的张一慧教授及其团队，从人类皮肤的精妙结构中获得了灵感，实现了电子皮肤从平面到立体的飞跃。

我们的皮肤之所以如此神奇，是因为它不是一个简单的平面结构。想象一块三层的海绵蛋糕，它有蓬松的表面、松软的内部和稍微紧实的底部。我们的皮肤也是类似的三层结构：表皮、真皮和皮下组织。每一层都有不同的功能和特性。

清华大学的科学家们正是基于这种复杂的结构，设计出了一种全新的电子皮肤，它不仅模仿了人类皮肤的三层结构，还复制了皮肤内部感受器的三维分布。

皮肤的结构与仿生三维电子皮肤概念图（图片来源：参考文献 1）

仿生三维电子皮肤的秘密：

精妙结构与超凡感知

清华大学研发的这种新型电子皮肤，就像人类皮肤一样，也由表皮、真皮和皮下组织三层组成。

表皮层就像我们皮肤的最外层，柔软而敏感，能够快速感知轻微的触碰。真皮层位于中间，包含了大部分传感元件，负责精确识别压力和摩擦力。这一层中的传感器采用了独特的八臂笼状结构设计，使其能更好地捕捉外部刺激。皮下组织层则是最内层，主要感知皮肤的整体变形，就像我们感觉到皮肤被拉伸或压缩。

在这个精巧的三层结构中，科学家们巧妙地设计了传感器的分布，模仿了人类皮肤中默克尔细胞和鲁菲尼氏小体的空间分布。

力传感单元位于“笼子”的上部，更靠近皮肤表面，对外部压力极其敏感，就像我们皮肤中的默克尔细胞，能够精确感知轻微的触摸。

应变传感器则位于底部的拱形结构上，与力传感单元保持一定距离，这种设计使得应变传感器主要对皮肤的拉伸敏感，而不受压力干扰，类似于人类皮肤中的鲁菲尼氏小体。

这种独特的三维布局让电子皮肤能够同时感知并区分压力、剪切力和应变，就像我们的皮肤一样。 更令人惊叹的是，这种新型电子皮肤的感知精度可以达到 0.1 毫米，这意味着它几乎可以感知到一根头发丝放在上面的位置，这种精度已经非常接近人类皮肤的极限了。

智能解码与深度学习：

赋予电子皮肤“思考”能力

仅仅有精密的传感器是不够的，就像我们的大脑需要解读神经传来的信号一样，电子皮肤也需要一个“神经中枢”来理解这些数据。清华大学的科学家们使用了先进的深度学习算法， 让计算机能够快速处理和解读这些复杂的信号。这就好比是教会了电子皮肤如何“思考”和“理解”它所感受到的世界。

通过这种方法，电子皮肤不仅可以感知物体的存在，还能判断物体的硬度和形状。 想象一下，机器人仅仅通过触摸就能分辨出苹果是新鲜的还是已经变软了，这是多么神奇的能力！这种技术为未来的智能设备开辟了无限可能。

在医疗领域，新型电子皮肤可能会被用于制作超级灵敏的医疗手套，帮助医生进行早期诊断。它可能能够感知到普通人难以察觉的微小肿块或组织异常。张一慧教授提到，这种电子皮肤还可以像创可贴一样贴在人的皮肤上，实时监测血氧等健康数据，为我们提供一个随身携带的健康监测系统。

未来展望：从科幻到现实的跨越

清华大学科研团队的这项突破，不仅是中国科技实力的一次有力展现，更是人类探索自身奥秘、挑战自然极限的又一里程碑。 这种电子皮肤技术在多个领域都有广阔的应用前景。

在智能假肢领域，它可能让失去肢体的人重新获得触觉，感受爱人手的温度或孩子脸颊的柔软。在工业领域，装配线上的机器人可以更加小心翼翼地处理脆弱的零件，就像有着灵巧双手的工匠一样。

在人机交互方面，我们的智能设备可能变得更加智能和人性化，能够感知我们的情绪状态，或在虚拟现实中提供真实的触感体验。

尽管这项技术非常令人兴奋，但将其大规模应用于现实世界还面临一些挑战，如耐久性、成本、能源供应和数据处理等问题。然而，这些挑战并不能掩盖这项技术的巨大潜力。也许在不久的将来，当你和机器人握手时，对方的手是能够用温柔的触感回应你的“智能皮肤”。

参考文献

[1]Weichen WANG et. al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin

策划制作

出品丨科普中国

作者丨李金娟 早稻田大学

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来、林林

2024年，最有趣的11个电子工程新创意

对电子工程师来说，不仅要关注芯片以及半导体本身，更要关注下游电子应用，毕竟芯片是为电子应用而服务。

IEEE Spectrum日前发布“2024年值得关注的11个工程里程碑“，列举了未来一年值得关注的科技技术。那么有哪些电子应用将在明年发光发热，其中又有哪些潜在的芯片应用将会爆发？

地心之旅：到地下20千米获取能源

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具备储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点。

更为重要的是，根据科学家计算，整个地球热量超过了1 × 10^19 TJ，这意味着，地球的热能足够人类使用620亿年，而地壳内煤储备量只够人类使用近200年。

为了释放地热能的“太瓦”潜力，麻省理工学院的初创公司Quaise Energy正在2024年测试一种深层钻机，这种钻机使用高功率毫米波，可以钻入地壳10到20千米。

要知道，地壳平均厚度为17千米，以往各种钻探深度都没有突破地壳的范围，只有Quaise Energy公司的20千米才算是达到了下一个层面。

Quaise Energy将从旧的油气钻探结构开始，通过从回旋管爆破辐射来蒸发下面的硬岩。钻探至地地下20千米时，此处地下温度可达500摄氏度，根据Quaise高管的说法，获得地热能可能是到2050年实现净零排放目标的关键。

内置电池的电磁炉：家用电器的储能系统

现在我们都在使用煤气来做饭，但国外消费者已经掀起转向基于电磁的炉灶和烤箱的风潮，以解决与燃气灶相关的环境问题和健康风险。

虽然这种电器非常节能，但大多数型号都需要改装电源插座，安装成本高达数百美元。Channing Street Copper和Impulse Labs这样的初创公司正在通过添加内置电池，来补充常规的墙上插座电源，使电磁炉和电烤箱更易于安装。Channing Street Copper计划在2024 年初推出电池增压设备。

简单解释下，如下图所示，国外许多家用电烤箱和电磁炉如下图所示，由于功率过大需要改装插座，而内置电池，也就是内置一个储能装置，就能提供足够功率，从而不再需要换线。

全自主分诊决策系统：无创传感收集数据

DARPA全称“国防先进研究计划局”，人称现实版“神盾局”，这家机构颇有一丝传奇色彩，研究的内容总是能够压中未来。

在大规模伤亡事件中，几分钟往往可以决定生死。2024年下半年，美国DARPA将会开展新一轮的挑战赛，一项开发传感器和算法以支持大规模伤亡事件期间分诊的竞赛。

根据DARPA去年2月的视频演示，该机构正在寻找新的方法来帮助处于两个治疗阶段的医务人员：在初级分诊期间，最需要护理的人将被远距离的传感器识别；然后，当患者病情稳定时，医务人员可以根据从无创传感器收集的数据来决定最佳治疗方案。三轮比赛将持续到2026年，奖金总额为700万美元。

简单解释一下，初步分诊由人类亲自评估，可能适合少数患者，但不适用于大规模伤亡事件。在二级分诊中，标准方法是定期检查生命体征，例如心率和呼吸频率、血氧饱和度和血压。这些方法可能会错过危及生命的伤害的早期迹象，DARPA分诊挑战旨在使医疗响应人员能够在大规模伤亡事件中挽救生命，方法是利用传感器快速自主地提供初级分诊所需的信息，并提供持续监测以预测二级分诊中救生干预的需求。

在空中套娃：用飞机发射无人机

新型导弹发射无人机将于2024年升空，它就像一个在空中套了三层的娃娃一样，装满导弹的无人机会在飞行时会从轰炸机的腹部释放出来。

LongShot是美国DARPA于2011财年开始研制的一种用于争夺未来战场制空权的新型无人战斗机，该机在作战过程中采用有人战机（战斗机、轰炸机等）空中投送方式，使用隐身气动外形和隐身涂料，能携带小型雷达和若干枚美军现役或在研的空空导弹（如AIM-120系列、“CUDA”等）对敌方多类空中飞行器进行攻击，具备人机协同作战能力。

这架无人驾驶飞机由通用原子航空系统公司是DARPA（美国国防高级计划研究局）开发，今年将进行飞行测试，以证明其在空基作战中的可行性。其目标是在引入新飞机的同时扩大空对空导弹和当前级别战斗机的射程和效力。

监测新冠后遗症：用APP预测症状的发生

长新冠（Long Covid，也就是新冠后遗症）是指新冠转阴后，仍然长期伴有很多身体不适的症状，去医院检查又检查不出来什么异常，包括恶心、头晕、疲劳、严重的心悸和胸痛。

长新冠治疗中经常使用的治疗方法称为起搏（Pacing），这种疗法注意保护受影响者的能量资源，避免可能使症状恶化的身体和精神或情绪过度劳累，但与之相悖的是，我们又很难察觉到长新冠对我们身体的影响，因此我们就更加难以调整自己的生活节奏以对抗长新冠。

这就是为什么一位患有长新冠的人Harry Leeming决定创建Visible，一款帮助用户监控活动并避免过度劳累的应用程序，Visible旨在帮助人们控制自己的活动。

Visible通过监测HRV（心率变异性）预测某人何时会感到疲倦，而这种传感通过光电体积描记法 (PPG) 技术，利用智能手机摄像头，记录用户肤色的微小变化，测量心率。

今年，根据Leeming的说法，Visible将推出使用专用心率监测器的高级版应用程序。Leeming 说，虽然大多数可穿戴设备用于辅助锻炼身体，但这些臂带监测器针对降低心率进行了优化，以帮助患有长新冠的人，该应用程序还将从同意的用户那里收集数据，以帮助研究这些情况。

耗资100亿美元，亚马逊进军卫星互联网

亚马逊预计将在2024年底前通过Project Kuiper“柯伊伯计划”开始提供卫星互联网服务。这个耗资100亿美元的项目旨在通过向近地轨道发射3000多颗卫星，将可靠的宽带互联网接入扩展到全球农村地区。

虽然该项目需要数年时间才能完全完成，但亚马逊将在今年晚些时候开始与客户进行beta测试。如果成功，Kuiper可以集成到Amazon Web Services套件中。与此同时，SpaceX的Starlink自2019年以来一直很活跃，已经有5000颗卫星在轨运行。

根据亚马逊（Amazon）及联合发射联盟公司（United Launch Alliance，ULA）官方信息，北京时间2023年10月7日2时06分，亚马逊提出的卫星互联网“柯伊伯计划”（Project Kuiper）的2颗原型卫星Kuipersat-1和Kuipersat-2搭乘联合发射联盟公司的宇宙神5型（Atlas V）运载火箭发射升空，部署在离地球表面约500公里的高度。亚马逊在其官方网站上称，这次发射标志着其"原型飞行"（Protoflight）任务的开始。

太阳电动汽车：明年上路

电动汽车到来之时，很多人就曾畅想过使用太阳能供电，而这将在明年成真。

潜在客户和众筹者期待已久的初创公司Aptera Motors制造的太阳能电动汽车（SEV） 将于 2024年上路。

2015年，Aptera Motors曾发布过一款太阳能电动车，之后公司便破产了，如今三位公司创始人已经重聚，重新量产全新的太阳能电动车。

值得一提的是，Aptera Motors制造的是三轮SEV，采用空气动力学设计，可减少阻力，整体外观看起来颇为新颖。

该车的最新版本将插电式功能与覆盖其车顶的太阳能电池板相结合，一次充电可行驶1600公里，每天使用太阳能发电可行驶65公里。Aptera表示，它的目标是在2024年开始早期生产，首批将交付2000辆汽车。

零信任架构：三分之二的信心

“信任但要验证”是现在美国网络安全政策中的一句谚语。

到2024财年末，即9月，所有美国政府机构都将被要求切换到零信任安全架构。所有用户都必须验证其身份和设备，即使他们已经连接到政府网络和虚拟专用网络。

零信任的最早雏形源于耶利哥论坛 。Forrester前分析师约翰·金德瓦格以“从不信任，始终验证”思想正式提出“零信任”这个术语，明确零信任架构的理念 ，改进了在耶利哥论坛上讨论的去边界化的概念，认为所有网络流量均不可信，应该对访问任何资源的所有请求实施安全控制。

而现在，零信任架构指的是一种端到端的网络安全体系，零信任是一种侧重于数据保护的体系结构方法，常基于业务场景的人、流程、访问、环境等多维因素进行相应的信任评估，通过信任级别动态地调整权限，构建动态自适应的安全闭环系统，其创新的安全思想符合新技术的特点，不断提高信息系统和网络的整体安全性。

根据2023年的一份报告，大约三分之二的联邦机构雇用的安全专业人员相信他们的部门将在网络安全的最后期限前完成。

薇拉·鲁宾第一缕曙光：解开黑暗宇宙之谜

暗物质和暗能量对研究人员来说，一直是巨大的挑战，尽管它们占宇宙总能量和物质含量的 95%（暗物质占 27%，暗能量占 68%），但它们对我们来说基本上不可见。这意味着构成恒星、行星和我们日常周围的一切（包括我们的身体）的物质仅占宇宙含量的 5%。

Vera C. Rubin（薇拉·鲁宾）天文台拥有有史以来最大的数码相机，预计将于2024年底首次向天空睁开眼睛。

该天文台配备了一个8.4米的宽视场望远镜，将在长达十年的时间里，扫描南半球的天空。它配备了一个3200百万像素的相机，每晚都会从智利山顶上拍摄40个满月大小的区域。这意味着它可以每三到四个晚上捕获整个可见天空。薇拉·鲁宾天文台投入使用后，将帮助天文学家清点太阳系，绘制银河系地图，并揭示暗物质和暗能量。

飞行汽车：在奥运会上叫一辆空中出租车

在今年的巴黎夏季奥运会上，参会者可以开始乘坐电动垂直起降飞行器（eVTOL，也被人称为飞行汽车）在城市中穿梭。

德国布鲁赫萨尔的航空初创企业Volocopter计划在比赛期间为体育爱好者和游客提供空中出租车服务，尽管Volocopter仍在等待欧盟航空安全局（European Union Aviation Safety Agency）的认证，但Volocopter计划提供三条往返城市各地区的航线，以及两条往返游客航线。Volocopter的空中出租车将使巴黎成为第一个提供eVTOL服务的欧洲城市。

虽然想法是好的，但走得路却不那么顺。2023年11月14日， Volocopter 空中出租车巴黎奥运会服务计划遭到了巴黎地方当局几乎一致的反对，市议会在审议该主题时公开强烈反对计划，部分与会者甚至称其是“荒谬的”和“生态失常”。

超音速飞机：比普通飞机快两倍

Boom Technology正在开发一种名为Overture的客机，其飞行速度超过音速。这家美国公司表示，它将在2024年完成其北卡罗来纳州“超级工厂”的建设。

Boom计划每年生产多达33架飞机，该公司声称这将是世界上最快的客机。Overture的设计速度是当今商用飞机的两倍，飞机飞行速度将为1.7马赫。也就是说，从旧金山到东京不再需要10个多小时，6个小时左右即可，从美联航位于新泽西州的枢纽到伦敦的飞行时间也会从6个多小时降到3个半小时。

Boom希望这架飞机由可持续航空燃料提供动力，不包含石油，与此同时，Boom已经从商业航空公司获得了订单，并计划到2027年首飞。

值得一提的是，Boom Technology是自协和式飞机（Concorde）以来最先研发超音速客机的公司。

参考文献

[1] IEEE Spectrum：2024 年值得关注的 11 个有趣的工程里程碑.2024.1.1.https://spectrum.ieee.org/technology-in-2024

[2] 科技直击：钻入地壳20千米！释放无限能源，美国公司的波钻，究竟什么技术？.2023.11.28.https://mp.weixin.qq.com/s/mIyTXkjHaDNz-tLsBq2zsg

[3] https://www.darpa.mil/news-events/2022-11-16

[4] DOLC：长新冠患者开发出长新冠监测应用.2023.1.13.https://mp.weixin.qq.com/s/TbG1-jBZwmZr2Im_VLTNvQ

[5] 普惠数码科技：什么是零信任安全架构？.2023.10.20.https://mp.weixin.qq.com/s/ntgEo_QN5_gfG4WSJTKpYA

[6] 星秘空间：鲁宾天文台可以解开黑暗宇宙之谜.2023.10.15.https://mp.weixin.qq.com/s/8NG-Ft4NFHWTglFsVnXL-Q

[7] 通航圈：Volocopter等eVTOL UAM或将梦碎巴黎奥运会，新加坡那边也不太顺利.2023.11.22.https://mp.weixin.qq.com/s/CnniLOuw-vyIQb6UNZMC2Q

[8] 民用航空网：初创公司Boom Technology计划让乘客重新体验超音速飞行.2021.7.1.https://mp.weixin.qq.com/s/X6Q0MpinId98eNd9jPwSMg

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