人造電子皮膚：延伸人類的觸感

皮膚是人體最大的器官，它不僅肩負著防止“外敵”入侵的使命，還承擔防止體內水分、電解質等其他物質丟失的任務。一般情況下，如果皮膚受到較輕的損傷都可以自我恢復，但如果遭遇橫禍，比如大面積或深度的燒傷、燙傷等，皮膚的自愈能力往往無法快速發揮作用，需要植皮。

事實上，即便是植皮，也需要經歷痛苦的過程才能完成。況且皮膚移植的方式是“拆東墻，補西墻”，即把患者身上健康的皮膚取下來移植到燒傷部位，但這種方法會引起新的傷疤。特別是遇到身體大面積的燒傷，正常皮膚所剩無幾時，植皮也顯得困難非常。而且在恢復期間，創口也容易發生感染，且如果沒有皮膚的保護，重度燒傷者會出現嚴重脫水。

為了應對這種情況，減輕皮膚大面積損傷者的痛苦，科學家開始想辦法尋找自體皮膚的替代品。

人造皮膚與電子皮膚

皮膚看起來是薄薄的一層，里面卻富含血管、淋巴管，并含有汗腺、皮脂腺等附屬器官。所以皮膚的替代品也需要擁有這些功能，更重要的是，它還能夠促進自身肌肉與皮膚的生長。

20世紀50年代，上海第二醫科大學的外科專家張滌生教授開始著手研究人造皮膚。1961年，他和學生們率先發明了一種人造皮膚。它使用極細的絹紡制成，在一種特制的藥水中浸泡后，配上特制的藥膏，然后敷在病人傷口上，取得了良好的效果。幾乎同時，美國一位叫白克的醫師與麻省理工學院的亞諾斯教授合作，前后花了20年時間試驗，終于發明了人造皮膚。它由硅橡膠薄膜和膠原-硫酸軟骨素多孔材料制作而成。其中，硅橡膠薄膜起到臨時表皮的作用，其表面還模仿皮膚的毛孔制作了一定數量的微孔，讓空氣自由出入。而膠原和硫酸軟骨素則分別來自牛腱和鯊魚軟骨，能夠支持皮膚細胞的生長。

經過不斷完善，白克的研究不僅救活了許多燒傷的病人，也開創了燙傷醫學的新時代。現在的人造皮膚包括兩層：表層和里層。表層是由一種硅橡膠薄膜制成的，能阻擋細菌的進攻。里層是一種特殊的培養基，能幫助受傷的皮膚生長。

“比較而言，電子皮膚其實是種可延展柔性傳感器材料。”浙江大學高分子科學與工程學系教授馬列這樣解釋，電子皮膚的應用領域也更傾向于可穿戴設備和機器人。

最早在2003年，日本東京大學的研究團隊利用低分子有機物——并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實現了電子皮膚感知壓力。對比人造皮膚，它的結構更簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。

除了柔軟的特性以外，電子皮膚想要模擬、還原甚至取代機體皮膚，還要具備感覺和觸覺，即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力，暢通傳導觸覺信號的最基本功能。例如，由中國研究人員使用碳納米管傳感器制成的高靈敏度皮膚，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。同時，研究人員也在電子皮膚的延展性上進行開拓研究，并渴望這種材料不僅滿足機器人，也能滿足人類自己。

電子皮膚或將改變我們的生活

前不久，美國華人學者鮑哲南帶領的團隊開發出一種基于塑料的“電子皮膚”，不僅可以區分握手的輕與重，而且還能把這種感覺傳遞給大腦。如果可以大范圍應用，那么很多依靠假肢生活的人或許有一天可以通過它獲得真實的觸感。

看似薄薄的一片，實際上電子皮膚上密布著電子線路。如果把這種材料運用到機器人身上，輕輕拿起一只雞蛋不捏碎就會成為可能。如果運用到醫學上，可以制成檢測器，為癌癥病人準確區分硬的癌細胞和軟的健康細胞，從而保障切除癌細胞手術的快速準確。如果用在汽車方向盤上，當駕駛人因困乏或走神，手握方向盤松動時，感應器就會及時提醒。

鮑哲南研究團隊借助了一種名為光遺傳學的技術，研究人員改造了實驗鼠的大腦神經細胞，使得人造皮膚能夠向這種改造后的細胞傳遞電信號，感知壓力的變化。下一步，他們將研制可以感知溫度、痛覺等感覺的電子皮膚。

其實，電子皮膚的應用范圍不僅僅局限于人體或假肢，機器人、手機和電腦的觸摸式顯示屏、汽車安全和醫學上都可以見到電子皮膚的身影。因為這種電子皮膚具備良好的自愈能力，當其受到損傷后，幾秒內其強度和導電性就恢復到原來的75%。30分鐘過后，它幾乎恢復如初。如果應用到手機屏幕上，或許人們就會擁有一個屏幕摔碎也能神奇恢復的手機。

人造電子皮膚：1+1>2

“電子皮膚是像人體皮膚一樣柔軟的傳感器，可以知道溫度和濕度，但不具備修復缺損皮膚的功能。人造皮膚則更多應用于醫學中，將其放在皮膚缺損處，會刺激皮膚新生，是基于再生醫學的原理。”馬列解釋道。

為了將兩者的優勢疊加，實現“強強聯手”，浙江大學的科研人員制作了人造電子皮膚。“人造電子皮膚就是將具有傳感功能的柔性電子皮膚與具有皮膚再生功能的人造皮膚復合，形成以人造皮膚為下層、柔性電子皮膚為上層的仿皮膚雙層結構。”馬列講解到，“人造電子皮膚再生系統既能實現缺損皮膚的再生修復，又能在修復再生的過程中，對創面區溫度、濕度、壓力乃至其他化學生物信號進行監測，并根據再生修復需要，給予必要的功能。”

這個過程實現了材料學與信息科學、計算機科學的交叉應用，其中電子皮膚的部分負責傳遞紗布包裹下創口的感染、愈合等情況，省去了醫生打開紗布查看創面的步驟，還可以檢測人體的體溫等數值；人造皮膚的部分則負責讓皮膚再生。

浙江大學計算機科學與技術學院副教授李石堅根據皮膚生長過程的傳感數據，包括溫度、壓力、皮膚阻抗、血氧變化以及心電信號等進行數據挖掘，建立起人造皮膚生長模型。電子皮膚由此“推斷”傷口狀態是“正常”、“炎癥程度”還是“生長程度”，給醫生提供建議。然后，這一結果被集成到一個手機App應用軟件中，用戶可通過此軟件監控傷口狀況，并控制植入系統工作。

“人造電子皮膚的應用前景很廣，特別是針對人體大面積或深度缺損以及特殊部位燒傷的情況。”馬列對記者表示。

在人體的皮膚組織中，頭面部皮膚比其他部位的皮膚組成更精細，比如眼周皮膚就比其他地方的皮膚略薄，如果只是簡單的植皮，很可能讓修復過的眼周看起來并不自然。但如果是通過人造電子皮膚重生的眼周皮膚則可以避免這樣的問題。

前景可以預見

“目前，在大鼠和巴馬小型豬上進行的動物實驗，科研人員已經驗證了人造電子皮膚擁有促進真皮組織生長和皮膚再生的功能，并可以監護和控制皮膚生長的情況，然后根據監控信息實現對傷口狀況的判斷。隨著傷口逐漸愈合，再生材料被不斷吸收，電子器件部分自然從傷口剝離。”馬列說道，“雖然在動物實驗中，我們只嘗試過創面面積約4平方厘米的皮膚監測與修復，但如果應用在人體大面積皮膚修復中，或可以采用多個材料‘打補丁’的形式解決。”

作為交叉學科的研究，人造電子皮膚結合了人造皮膚與電子皮膚的優勢，為人類皮膚創傷修復提供了更好的選擇。目前，人造電子皮膚依然在研究階段。“我們研究的關鍵是將再生系統與柔性傳感系統有機地整合，并確保在復雜的再生修復創面，系統的再生功能與傳感執行功能都運作無誤。”馬列說道，“而且，這套人造電子皮膚再生系統是首個將組織再生材料與柔性電子技術相結合的系統，對未來發展一系列集合生物、材料、信息等多種技術的電子生物混合系統具有重要的啟示。”