電子皮膚嶄露頭角

李忠東

觸摸虛擬世界執行特定指令

最近，德國科學家研制出一種新的電子皮膚。它名叫e-skin，具有柔軟、可彎曲和能穿戴等特點。e-skin是一種可以戴在手上的薄膜，通過與附近的磁鐵相互作用來操縱物體。由于佩戴者手部的角度不同，電壓會有所不同。特別設計的軟件可以控制每一個增量角度，使佩戴者的手部動作能夠執行特定的指令。試驗證明，e-skin可用于關閉虛擬燈的開關和在虛擬鍵盤上打字，而且成效明顯（圖1）。

虛擬現實技術（VR）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，能使用戶沉浸其中。在過去幾年里，VR成為各行各業的重要工具，許多新技術的發展依然圍繞VR技術開展。眾多VR廠商紛紛搶占VR一體機市場，導致市場競爭激烈。然而，到目前為止VR并沒有出現太多突破性的技術，同時也缺失行業標準，更談不上VR一直強調的讓人完全“沉浸”的產品，也許觸感是VR沉浸感提升的一大難題。

科學家表示，無論是游戲還是學習體驗，e-skin能對VR產生顯而易見的影響。雖然它并不是用來替代現有的VR，但可以與其他兼容VR的技術混合，以創造一個更有機、互動感更強的體驗?，F有的VR設備使用攝像頭來檢測和跟蹤運動，但目前的分辨率并不高，不足以記錄手指和其他更微妙手勢的細微動作。隨著e-skin的引入，這種細微的動作不僅可以被檢測到，還可以與虛擬環境進行交互（圖1）。

除了VR，e-skin還可以大大改變增強現實（AR）的當前能力。AR是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學技術模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。

除了上述有趣的應用之外，e-skin還可以給人裝一個假肢，以便更容易地操縱虛擬技術，甚至還能夠被納入到軟機器人中。在危險的情況下或高風險的工作中，它可以被用于虛擬按鈕、控制器或門中，無需物理接觸就可對它們進行操控。對于那些處理爆炸物或其他特別危險的工作的人來說，這可能會減少受傷的可能性。

其實在2015年，德國科學家就展示了一種接近報警傳感器，可以模擬觸摸，只不過系統無法對旋轉動作進行定向感知。而現在e-skin被植入微型的磁敏裝置后，具備了定向感知能力。然而目前該技術談不上完美，因為e-skin需要依賴磁鐵創造的磁場，然后才能改變環境的磁場。雖然這個過程過于麻煩，但是至少為VR開了一扇新的大門。科學家正朝著更加方便的領域邁進，以便通過更細微的手勢來控制e-skin，使其早日進入到我們日常生活中。

顯示健康狀況并與智能手機配對

增強或恢復身體功能的電子裝置，特別是可穿戴式電子設備，需要輕薄和靈活的材料，以盡量減少對其連接到身體部位的影響。然而，到目前為止，大多數設備如毫米級玻璃或塑料基板在靈活性方面很有限，而微米級有機器件雖具靈活性但在空氣中不夠穩定。

過去幾年，科學家提出了很多柔性電子皮膚貼片概念，可以管理藥物或監測健康狀況。日本東京大學研究人員最新開發的版本，堪稱高質量的柔性電子皮膚。它的厚度小于兩微米（1微米相當于1毫米的千分之一），可以拉伸到原來長度的145%，比以前的皮膚顯示器更能抵抗磨損。而且通過層層交替的無機和有機材料，免受氧氣和水蒸氣的影響，使用壽命從幾小時延長到現在的數天。此外，還把高度透明的銦錫氧化物（ITO）電極無損耗地粘到超薄基板上，將電子皮膚轉化成一個“電子顯示屏”（圖2）。

在使用新的保護膜和ITO電極的基礎上，創建出穩定的聚合物發光二極管（PLED）和有機光電探測器（OPDS）組成的新器件，可發出紅、綠和藍三種顏色的光。如果受到電脈沖擊，這些二極管可以打開或關閉。通過不同排列的PLED，還可以顯示更復雜的信息。該器件僅3微米厚，薄到可附著在皮膚上，并能足夠靈活地響應身體活動帶來的扭曲和褶皺。發光效率超過以前采用的超薄PLED的6倍，而且減少了熱量的產生和功率消耗。

電子皮膚貼片能顯示簡單的心電圖波形等動態圖像和血液中的氧濃度或脈沖率，特別適合用于醫療，在給穿戴者提供健康信息的同時讓其他人在緊急情況下了解使用者的狀況。如果需要，還可以用紅色和綠色PLED與光電探測器結合作為演示血氧狀況的傳感器。此外，它上面的傳感器還可以與智能手機配對，用于存儲生物特征數據，甚至將其傳輸到云端，成為針對老年人或家庭的非侵入性健康監測系統，供醫護人員遠程監控穿戴者的狀況。根據計劃，這種電子皮膚在未來三年內開始量產。

感知外部壓力后傳導觸覺信號

在控制自己雙手的時候，人類需要啟動手上一大部分運動皮質，采用微妙的平衡力，才能實現各種各樣的反饋。在機器人技術領域，如何改善身體的柔韌性和延展性一直是困擾研究者的難題。實踐證明，要使得機器人具有更敏感的觸覺，挑戰的難度極大。美國加利福尼亞大學伯克利分校電子工程和計算機學教授阿里·賈維帶領的研究團隊研制出一種厚度不及一張普通紙的電子皮膚，能通過內置LED燈對觸摸和壓力做出反應，而且壓力越大，燈也就越亮。這種觸摸即發光的電子皮膚又稱e-皮膚（圖3）。

電子皮膚的基礎體是一種聚合樹脂制成的膠片，膠片表面有黏性，覆蓋有發揮信號感知和傳導作用的一種鍺硅混合納米線，而后在納米線上安裝納米級傳感器，再覆蓋以一種對壓力敏感的橡膠。整個電子元件都是垂直整合的，看似廉價的塑料塊里面卻內置了一套復雜的系統。電子皮膚的樣本為16×16像素，每個像素都包含一個由半導體碳納米管制成的晶體管、一個有機體發光二極管和一個壓力傳感器。無論按壓還是彎曲，隨著力度不同，16個可發光塊會發出藍色、綠色、紅色或黃色的光。實驗室的測試表明，它可以在一毫秒內迅速做出響應，感知從0千帕～15千帕的壓強，像人類敲打鍵盤和托物體時皮膚感知的壓強均在這一范圍內。它幾乎可以和人體皮膚一樣感知不同的外部壓力，以相同速度傳導觸覺信號。

賈維教授將傳感器放在人的手腕上測試脈搏，結果發現它比人手指的觸覺更加靈敏，能夠探知比一般輕微觸摸還要輕得多的壓力，因此可以在心臟病或中風發作之前感知到征兆?！霸趯恚苍S有一天會出現一種‘電子皮膚繃帶，能貼在胳膊上作為健康狀況檢測器，不間斷地監測血壓和心率?！彼雇?，“希望未來能開發出一種更先進的傳感器皮膚，除了會對觸摸和壓力做出反應之外，還可以對溫度和光線也產生敏銳的回饋。”

超級敏感電子皮膚的出現堪稱機器人科學的一大邁進，有望給手機和游戲機控制器增加一個更直觀的人機界面，使人的動作與安裝傳感器的設備實現更好的互動?？蓱糜谥悄苁謾C，用作制造像壁紙之類的設施，兼作觸摸屏顯示器、儀表板的壓層材料，讓駕駛員只需揮揮手就能調節控制鍵。

一些移植學專家十分看好這項技術，將其譽為臨床醫學的福音。它可以用于改進沒有感知力的假肢，使其恢復感覺，甚至用它來覆蓋假肢。研究人員正在設法把電子皮膚改造成為人造皮膚，臨床運用于人類皮膚移植術，并把電子信號傳遞給大腦。

提高假肢的靈敏度和觸覺感

世界各地的研究團隊都在致力于開發高靈活性的電子皮膚，旨在通過模仿人體皮膚中各種不同的感覺感受器獲得觸覺，其中電子皮膚的供電系統是個巨大的技術挑戰。但如今英國格拉斯哥大學工程學院的研究人員已找到攻克這一難題的方法，近日成功研發出一種太陽能電子皮膚，通過使用清潔能源展示出其續航能力強、便攜性好的特征。根據研究團隊的設想，將在未來兩年內制造出原型。

研究團隊將一層光伏電池安裝在手背上，通過讓太陽照射手背而進行光能發電，與此同時電池還與電子皮膚里的多個傳感器相連。這種傳感器用石墨烯柔性材料制成，能讓皮膚佩戴者感覺到如同真正皮膚般的觸覺反饋。石墨烯只有一個原子的厚度，性能強，靈活度高。導電性能好，比鋼強數倍。做成的成品厚度只有普通紙張厚度的百萬分之一，并且透明度可以吸收98%左右的光。這些屬性使石墨烯成為收集太陽能制成合成電子供電的理想材料，基本上可以淘汰需要電池供電的假肢。

低功耗的智能皮膚每平方厘米需要20納瓦的功率，目前可用的最低質量的光伏電池都能滿足這個要求。雖然皮膚的光伏電池產生的能量還不能存儲，但研究人員表示正在探索將未使用的能源轉移到電池中的方法，以備其他需要之時使用。下一步的計劃將開發支持這項研究的相關配件技術，從而讓光伏電池能驅動假肢的電機，創建一個能完全不用充電就能自主活動的假肢。

“這種智能皮膚產生的電力可以用于獲取靈敏度和觸覺感，比人類皮膚好一個數量級（圖5）。智能假肢已經擁有人類肢體的許多力學性能，如果賦予它們類似人體皮膚的觸覺，將會使截肢者十分受益?！备窭垢绱髮W電氣工程師、該項目的主導科學家拉文德·達希亞教授指出，“觸覺敏感的電子皮膚也可用于機器人，以提高其性能，更好地了解所觸摸的東西，并幫助它們在與人類互動時檢測潛在的危險。”

使假肢感受并傳遞疼痛的感覺

疼痛當然令人不愉快，卻是一種基本的保護性觸覺。對于功能齊全的肢體來說，感知疼痛能夠幫助躲避危險保護身體。時至今日，假肢設計和控制機制的不斷進步極大地幫助截肢者恢復失去的功能，但是通常缺乏意義重大的觸覺反饋或者說直覺。讓現代假肢設計更人性化迫在眉睫，尤其是在融入疼痛感受能力方面更是必不可少。

由美國約翰霍普金斯大學生物醫學工程、電氣和計算機工程、神經病學系和新加坡神經技術研究所成員組成的研究團隊，通過研究皮膚自然的感知力，借鑒人類皮膚觸覺感受器的復雜神經網絡，開發出一種新型的電子皮膚，能夠使假肢越來越逼真地感受并傳遞疼痛的感覺。這是一種由橡膠和織物打造的薄層，覆蓋假手的指尖。當它與物體接觸時，產生的微小電脈沖就會刺激假肢中的神經來模擬一種真實的觸感。由于采用了壓阻和導電織物制成的大量感應層，而不是感應和測量壓力的不同類型細胞，因此產生出來的電脈沖能夠像真實皮膚一樣以不同的方式對壓力做出反應，感受和傳達痛感和壓感。使截肢患者體驗到假肢曾經缺少的防護性觸感，幫助自己避免受到傷害。

為了驗證電子皮膚的效果，研究團隊在一位截肢患者身上進行了測試。他們創建了一個“神經形態模型”，模擬人類神經系統的觸覺和痛覺感受器，使電子皮膚能夠像皮膚中的感受器一樣對感覺進行電子編碼。通過腦電圖跟蹤大腦活動，確定受試者能夠在他的假手中感知這些感覺。

研究人員使用一種稱為“經皮電神經刺激”的無創方法，將電子皮膚的傳感器通過放置在皮膚上的電極連接到測試者的假肢上，而且與真正的神經傳遞信號的方式相似。當受試者佩戴著這種電子皮膚抓取不同的物體時，研究人員引進了自動的疼痛反應，也就是說手在沒有接收到大腦指令之前就會扔掉那些太鋒利的物體。截肢患者在描述自己參與測試的感覺時激動地說：“這么多年過去了，我又感覺到了自己的手，就好像一個空殼再次充滿了生命?！?/p>

測試結果表明，根據電子裝置傳遞的不同脈沖模式，電子皮膚可以傳遞一系列的感知，從細微的觸摸到對截肢者的傷害所引起的疼痛。受試者和假肢能夠在接觸尖銳物體時對疼痛和接觸圓形物體時對非疼痛產生自然的反射反應，就是最有說服力的證明。通過刺激手臂的周圍神經，將信息傳遞給截肢者，使所謂的幻肢復活，讓它更像人手。研究團隊計劃未來將研發一種裝置，讓人們獲得一系列更復雜的觸感。

“借助這種觸覺反饋，我們能夠為截肢者提供一種真實的感覺。這真的是非常重要的，因為它讓我們更接近于打造出一種真實的上肢假體。當然也不僅僅是疼痛，還有質地和溫度等觸感，未來我們將探索如何把更多的感覺反饋給截肢者。”約翰霍普金斯大學生物醫學工程教授、生物醫學儀器和神經工程實驗室主任尼蒂斯·塔科爾指出，“這項電子皮膚技術還能夠使機器人系統更人性化，也可以擴展或延伸到宇航員的手套和宇航服。”