智能仿生生態大發展， 柔性電子皮膚成多場景應用寵兒

徐迅捷

兩年前，擅長制造噱頭的“機器人索菲婭”被授予沙特公民身份，機器人能否以公民身份進入人類的生活一時成為熱點話題。而近日熱播國產電視劇《你好，安怡》中芯機人融入家庭的場景將這類議題再次引爆。

如今人工智能的發展和工業水平的提升，讓我們覺得機器人融入人類的日常生活不再遙遠，仿生技術也隨著這類題材熱度提升越來越受公眾關注。

絡繹學術 Online 直播第二期，我們邀請了香港城市大學生物醫學工程系助理教授、博導于欣格為大家分享：現實版“頭號玩家”，電子皮膚觸覺感知和未來 VR 技術。

何為柔性電子皮膚

柔性電子皮膚是一種新型仿人類皮膚的柔性傳感器系統。通過電子裝置仿生人類皮膚，從而使得這類柔性傳感系統具有了人類皮膚的特點和功能。

柔性電子皮膚通常采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）、硅膠等本身具有柔性的材料作為柔性襯底，能夠實現宏觀結構上的柔性。

3 毫米柔性電子皮膚技術解構

2019 年，于欣格團隊關于電子皮膚的研究發表在《自然》雜志上。3 毫米柔性電子皮膚的研究進展有條不紊地進行了下去。

在分享中，于欣格用電影《頭號玩家》的例子生動地展現了這一研究的體驗感。

薩曼莎用手滑過韋德肩膀時，玩家感覺到的真實觸感就需要器件提供反饋。要想清晰獲取手滑動皮膚的感覺，技術上就對器件的密度要求更高。

目前，他們的團隊將單個反饋單元做到毫米量級，幾乎達到了人體皮下觸覺反饋器的分布極限，也就是達到了人體分辨的極限，因而反饋的觸感也更真實自然。

這 3 毫米的柔性電子皮膚內有一個致動器（actuators），這是互相連結的“按鈕”。每個致動器都接通射頻天線，以無線方式傳遞信息和供電。致動器發出的振動頻率以毫米計，且只需 1.75 毫瓦的功率便能誘發觸感，僅需市面現有致動器所需功率的 2%。配套的軟件一旦收到指令，就會迅速將訊息傳遞到致動器，使用者就可以感到觸感。

在外在形態上，目前用在皮膚 VR 上的 NFC 通信工作距離可以延展到近 1 米。于欣格指出，產品的外在形態可以有兩種解決方案：一種是類皮膚形態，可以舒適地貼附在身體各個部位，低模量的軟硅膠可用于封裝和提供與皮膚間的粘附力，不借助膠帶或綁帶就能自由穿戴在身上;另一種是通過織物形式做成我們日常生活中穿戴的輕薄外衣，隨時穿戴在身上。

柔性電子皮膚的應用場景

在應用場景上，除了與現有的 VR 游戲結合，游戲、運動類，社交媒體，遠程觸摸和培訓等應用場景也是柔性電子皮膚的可應用場景。而與醫療相結合的應用場景更成為生命科學領域的新方向，其中醫療檢測、健康監測和遠程手術這三類場景的拓展應用頗具代表性。

醫療檢測

以目前的新冠檢測為例，于欣格認為如果將皮膚 VR 技術應用到新冠病毒檢測環節，將能大幅保障醫護人員檢測過程的高效性和安全性。現有的采樣機器人或采樣設備，雖然能在一定程度上保證醫患隔離，但在精準度及體驗感上還有很大差距。

如果醫生通過遠程控制搭載了皮膚 VR 系統的采樣機器人，完成遠程篩查采樣，那么采樣過程中 VR 系統就會對力度、精準度進行實時反饋，一方面可以提升醫護人員的檢測效率，減少其暴露風險;另一方面也可減少被檢測者的不適感。

健康監測

通過皮膚 VR 可用于收集人體的健康生理信號的變化，通過采樣處理可以及時分析出佩戴者的健康狀況以及潛在疾病發作危險，進而通過如聲音、壓力等物理刺激通過皮膚電子驅動器把有用的信息施加給人體，實現人機交互在虛擬和現實場景中的完美融合。

比如，在心腦血管疾病管理上，做到高精準監測和高準確度傳感就能讓糖尿病人的健康管理水平得到提升。

遠程手術

皮膚 VR 的反饋機制也為醫生實現遠程實時手術提供了技術支持。醫生在手術的過程中可以根據及時反饋來調整力度。皮膚 VR 還可幫助殘疾患者通過佩戴義肢恢復受傷部位的感知。基于柔性傳感和反饋于一體的皮膚 VR 系統與醫療領域的結合還有很多的可能。

除此自外，柔性電子皮膚在醫療美容、皮膚修復等健康領域的應用也獲得了肯定。比如，通過微電流脈沖打開細胞間隙幫助美容液導入深層皮膚達成無創修復皮膚。

值得關注的柔性電子皮膚企業

如此多場景應用讓柔性電子皮膚的商業價值獲得了更多關注，與之相關的科技企業得以萌生、成長。

VivaLNK

第一款產品，藍牙智能測溫貼—— Fever Scout，采用柔性電子皮膚設計，通過生物相容性、防吞咽等各項國際測試，精度達到醫療級水準，并已經通過了 FDA（美國食品藥品管理局）、CE Medical（歐盟醫療認證）、TGA（澳大利亞醫療用品法認證 ） 在內的多個國內外標準認證。

以 Fever Scout 為例，雖然產品看似簡單，但設計中卻包含了很多細節與創新。比如在硬件設計方面，需要讓柔性電路配合高精度傳感器，并要做到微型化，還要能夠防水和確保安全;考慮到使用時間，特地采用了低功耗設計，充滿電一次可滿負荷工作 1 個月。產品配合 App 和平臺系統使用，用戶將貼片貼在身上，便能觀察到當前體溫，精準度達到到正負 0.1 攝氏度;同時還可持續追蹤體溫變化，實現溫度實時預警。通過醫療云平臺，在個人、家庭、機構間實現信息共享。

Vital Connect

VitalConnect 成立于 2011 年，致力于研發新一代生物傳感器。目前，公司旗下的主要產品是一款可穿戴式生命體征監測設備— VitalPatch。該設備大小和形狀都類似創口貼，采用一次性鋅空氣電池，續航能力達96小時。VitalPatch 可以監測用戶的單導聯心電圖（ECG） 、心率、心率變異性、呼吸速率、皮膚溫度、姿勢、步數和跌倒檢測這八項數據。此外，該設備還可與 VitalConnect 的云分析軟件聯接，患者可以設置全天候的監測，并將數據及時發送給醫護人員。

目前，VitalPatch 已經通過了 FDA 的審批，獲得了歐洲 CE 標識和 ISO13485 認證。該設備現在已經為很多美國醫院使用，并表現出了高度的患者滿意度和經濟效益。

iRhythm

iRhythm 公司成立于 2006 年，總部在加州的舊金山。2016 年上市的 iRhythm 于上市前就獲得了保險公司 （ Aetna ） 的支持。公司的拳頭產品是用于心律失常快速檢測的 Zio@Patch，目前重量最輕、體積最小、結果最準確，比 Holter 更好用，可連續監測 14 天，記錄 2 萬分鐘的檢測數據，睡覺、運動、甚至洗澡的時候都可以戴著。公司致力于重新定義心律失常在臨床上通過基于云的數據分析和機器學習能力相結合可穿戴技術，生物傳感診斷的方式。

Rotex

一家平臺級柔性電子產品解決方案高科技公司。Rotex 自主研發的電子紋身 / 皮膚可廣泛應用于人機交互，醫療健康，消費電子和工業等多個領域;公司擁有核心研發能力，全自主知識產權，多項專利;自有生產線和成熟的交付履行團隊。

Rotex 研制的柔性生物電子材料，是柔性電子領域的前沿研究方向，即以柔性材料為基礎，結合微納米加工與集成技術，生產出的楊氏模量與人體皮膚、肌肉等組織相當、厚度為納米級的柔性電子器件，此類器件的“柔性”不是僅能做有限制彎折，而是可以承受各種自由形變甚至拉伸，能與人體高度融合。目前，這一技術可在透皮給藥、可穿戴設備、生物傳感器及電子植入物等應用中使用。其中，貼合于人體表面的柔性生物電子俗稱為“電子皮膚” 或“電子表皮”。

Sibel Health

開發和測試無線及電子皮膚，以監視生命體征，尤其在對生命體征脆弱的患者進行監測上有著重大意義。

目前，柔性電子上游產業的核心制造、檢測設備、材料等領域存在一定的國際競爭壓力。國內外政府業都在柔性電子產業發展上加大了支持力度，如美國 FDCASU 計劃、英國“拋石機” 計劃、歐盟 SHIFT 計劃。中國也將柔性技術上升為了電子信息崛起戰略的一部分。

政策支持和技術創新的雙重影響下，柔性電子產業鏈中的器件供應商也迎來了發展。

于欣格認為，目前中國的柔性電子產業的器件供應商足以覆蓋柔性電子工業化的發展要求。在芯片工業化水平上，其要求和半導體產業相比也較低。加之目前產業集成度還沒有特別高，中國企業若能把握時機，從技術、產業和新工藝三個方面發力，未來中國的柔性電子皮膚生產的量產成本就可以形成一定優勢。

于欣格對科研的投入和執行力讓我們看到了科技先行、未來可期。談到科學研究成果商業化的體會，他表示科研工作者應當將保持科研人員的專注度和對科研的把控力。對新一代青年科研究從業者，于欣格也分享了他的經驗：在科研上要有自己的標簽;做很獨特的、有實用價值的研究;著力在突破科技瓶頸，找出關鍵點。

從初代傳遞到可自主修復，柔性電子電子皮膚在科技工作者的努力下完成了一次次蛻變。科技的發展往往始于各個原點、聚沙成塔絡繹不絕。 （摘自美《深科技》）（編輯/華生）