電子皮膚：用觸摸感知改變世界

文/王軒

皮膚是我們人類重要的感知器官。通過皮膚，我們能夠清晰的感受冬日的寒風、夏日的酷暑、清風的吹拂甚至是偶爾飄落而至的花瓣。人類的皮膚，通過觸覺感知外界的環境，而觸覺是多種感知的集合，包括接觸的位置、接觸力的方向和大小、接觸物體的溫度以及接觸物體表面的紋理和硬度等。皮膚通過感知這些信息并通過神經傳至大腦，構成了人類的皮膚感知功能，實現了人們通過皮膚對外界的感知。

而電子皮膚則具有與人體皮膚相似的功能，利用特殊材料制造的電子皮膚，像人類的皮膚一樣柔軟，并且能夠像人類的皮膚一樣感知壓力的大小。隨著電子皮膚研究的不斷深入，電子皮膚的感知精度不斷提升，響應時間僅為幾毫秒，“一點都不比人類的皮膚差”。電子皮膚能夠應用的范圍非常廣泛，它可以安裝在機器人手臂上，使得機器人具備像人類一樣的觸覺感知能力；可以作為可穿戴設備應用于虛擬現實領域，使人們有逼真的沉浸感；還可以應用于醫療領域，作為燒傷、皮膚病等患者皮膚功能的替代品。本文旨在介紹電子皮膚在世界范圍內研究的最新成果，并對電子皮膚的應用前景進行探討。

電子皮膚的起源——觸覺傳感器與MEMS技術

電子皮膚的起源可以追溯至2003年，日本東京大學的科學家們利用并五苯分子這種低分子有機材料制造了一塊薄膜，并在薄膜的表面上密密麻麻地布置了壓力傳感器，從而完成了具備壓力感知能力的電子皮膚的原型。當然真正的皮膚并不止具備壓力感知能力，像人類的皮膚能夠實現對多種外界環境刺激的感知和體驗。通過表面細胞的末梢神經感受外界的刺激，進而將刺激信號通過神經網絡傳遞到大腦，實現對外界情況的判斷。一般情況下，我們將這種多種感知復合的感覺稱之為觸覺。觸覺不是一種單一的感覺，而是多種感覺的復合體，包括力覺、接近覺、熱覺等等，可以說，電子皮膚就是通過在特殊的材料制成的薄膜上密布搭載觸覺傳感器，從而替代人類皮膚實現觸覺感知的電子設備。

電子皮膚可用于監控各項健康指數

我們知道，人類皮膚的表面密布著表皮細胞，這些細胞就是我們人類實現觸覺感知的“傳感器”。電子皮膚為了做到像人類的皮膚一樣，就需要把傳感器做到足夠小，這就不得不提一下MEMS技術。MEMS，即微電子機械系統，是一種獨立的智能系統，利用MEMS技術制造的傳感器，其尺寸在微米甚至納米級別，為制造超小型觸覺傳感器、并在薄膜上進行密布奠定了基礎。近年來，美國、德國、日本和我國的研究人員對電子皮膚進行了深入的研究，并研發出了各自特點的電子皮膚，并在與機器人、醫療、人工智能及可穿戴設備等領域的交互中表現出了良好的互動性。

電子皮膚在機器人上的應用

機器人是科幻影視作品中永恒的題材，人們常常幻想著能夠與機器人交流和共處。如果機器人沒有感知外界的皮膚，試想當人們與機器人握手的時候，我們握到的可能不是一只友好的手，而是一只力量強大的鋼鉗。沒有手部皮膚的感知，機器人就不知道接觸物體的柔軟、力度等信息，也無法做出相應的調節，而電子皮膚使得機器人能夠觸覺感知周圍環境，清楚地分辨握著一只手和握著一個零件的區別，電子皮膚能夠幫助機器人的智能化進程邁出巨大的一步。

目前，美國斯坦福大學的科學家已經將電子皮膚安裝到了機器人的手臂上，并利用電子皮膚上密布的傳感器收集機器人運動過程中的信息，來識別周圍環境的情況。由于電子皮膚很薄，搭載皮膚的機器人手臂仍然具有很高的靈活性，在手臂接觸到物體的時候，能夠準確地反饋物體的硬度、接觸的位置和力的大小，從而調整機器人的運動決策，完成主動躲避障礙物、改變輸出力大小等一系列的操作。現階段，視覺作為機器人的“眼睛”功能已經得到了長足的發展，皮膚作為感受外界信息的主要方式近幾年也發展迅速，通過視覺和電子皮膚的聯合使用，機器人的智能化和自主化將進一步提升。

電子皮膚在醫療和可穿戴設備的應用

電子皮膚的發展和應用不僅使得機器人更像人，也使得人們比過去更加接近虛擬世界。隨著虛擬現實（VR）技術和可穿戴設備的發展，使得人們可以在虛擬世界中遨游，可以觸碰和操作虛擬物體，與虛擬世界的交互再也不是夢想。而電子皮膚的應用，則能夠最大限度地還原觸覺行為，不僅使得人們能夠“真實地觸摸”到虛擬物體，甚至能夠在虛擬世界中還原微風、水流和雨滴帶給人們的感覺，這將大大提升沉浸感和真實感，為今后VR游戲及虛擬裝配等產業提供了良好的發展前景。

電子皮膚的出現，也為現代醫療對皮膚病、燒傷等需要進行植皮操作的治療方法帶來了福音。普通的植皮手術需要考慮病患的排異反應，因此植皮的主要來源是患者其他部位的皮膚，一方面會給病患帶來新的創傷，另一方面導致大面積植皮無法實現。而電子皮膚的出現能夠極大地緩解皮膚來源問題，使得醫治大面積燒傷和皮膚病成為可能。同時，作為電子設備能夠有效地規避生物體的排斥反應，成為未來解決皮膚病患的新途徑。

此外，電子皮膚可以作為一種人體的身體健康監測設備發揮作用。電子皮膚與人體直接接觸，能夠通過搭載各類傳感器直接測量病患的身體數據，例如心跳、體溫、血糖、血壓、出汗量等實時情況，監測病患的身體狀況，掌控病患治療流程，甚至可以為病患留下操作界面，讓每個人成為自己的健康管理管家。

通過電子皮膚監測人體的生理信號已經處于科研成果向產品轉化的階段，摩托羅拉公司申請過一項關于電子皮膚紋身的專利，通過將電子皮膚放置在人體的喉部，將喉嚨震動的頻率和壓力數據進行采集，并通過藍牙或者NFC的方式發送給手機進行處理并轉化為聲音控制信號，實現對手機的操控。而東京大學研制的帶有一個顯示屏的電子皮膚，除了能夠對人體的弱電信號進行檢測之外，還能夠將數據處理之后進行顯示，這類電子皮膚很薄且重量輕，具有較好的柔韌性，有望在以后替代傳統的可穿戴設備。

電子皮膚的研究展望

電子皮膚的研究，為各行各業帶來了新的發展前景，隨著電子皮膚的普及，將引發深刻的社會變革。目前大部分的電子皮膚還處在基礎研究和樣品試制階段，要達到我們的美好設想尚需時日，有許多的科學問題還等待著科學家們去解決和探索。例如完全地還原人類的觸覺感知，現在的電子皮膚大多只能感受垂直于皮膚方向上的壓力，而無法完全再現觸覺感知功能，不過隨著MEMS技術的發展，對溫度、接觸、摩擦和紋理等感知技術已逐步實現，具備觸覺完全感知功能的電子皮膚并不遙遠。

另外，電子皮膚的柔性問題也是現在的研究熱點，由于電子皮膚是由電子器件組成，難免給人生硬的印象，通過改良襯底材料，可以使得電子皮膚表現出極佳的柔軟性和延展性，為大面積覆蓋使用奠定基礎。斯坦福大學的華裔教授鮑哲南領導的團隊發明了一種高靈敏度柔性塑料薄膜材料，能夠測量出蝴蝶停在上面的壓力，且測量的反應時間極快，不超過幾毫秒。正是這些科學家們的研究工作，使得電子皮膚的性能不斷提升，離我們的日常生活應用越來越近。

當然除此之外，電子皮膚的應用也仍存在諸多問題，例如如何將電子皮膚與人類的神經和細胞組織相連，如何將感知的觸覺信號轉化為人類細胞識別的神經信號，如何解決電子皮膚長期使用時器件的壽命問題等。但是毫無疑問的是，電子皮膚研究所取得的每一點進展，都是人工智能領域的重要里程碑。在視覺和聽覺等感覺已經能夠較為完善再現的今天，觸覺的再現一直存在空檔，電子皮膚的發展為觸覺感知的再現帶來了希望，而且是以最接近人體觸覺感知的方式再現，電子皮膚的發展到底將為我們的生活帶來如何的變革，就讓我們拭目以待。