電子皮膚：植皮、傳聲、人機界面

　　皮膚輸入式技術的原理是，利用影像感應器，將皮膚視為輕觸式屏幕，通過敲打與觸摸來傳輸指令，實現(xiàn)控制家用電器、打電話、操作簡單游戲等功能。目前，這項技術的操作準確率已超過80%。

　　用電子皮膚取代真皮？或者這并不是癡人說夢。

　　不久前，美國加州大學伯克利分校的工程師們制作出了全球首塊交互式“電子皮膚”，這種皮膚能對壓力和觸摸作出反應。研究人員說，電子皮膚可以幫助那些安裝義肢的人恢復感覺，也可以安裝到機器人身上，讓它們能像真正的人類那樣擁有觸感。

　　其實，近年來，多國研究人員已陸續(xù)開發(fā)出各種電子皮膚，并已解決了互動性、延展性等技術難題?？茖W家預測，除了醫(yī)學植皮領域，電子皮膚還能在機器人設計、可穿戴設備、人工智能等領域大展身手。

　　讓它具有分辨壓力的能力

　　美國加州大學伯克利分校研究的這種新型電子皮膚，由電子工程與計算機科學教授阿里·賈韋帶領的研究小組發(fā)明。它由合成橡膠和塑料制成，厚度還不及一張普通的紙。

　　這塊電子皮膚樣品上縱橫各有16個可發(fā)光塊。隨著按壓或彎曲力度的變化，發(fā)光塊可以發(fā)出藍、綠、紅或黃色的光。據(jù)研究人員介紹，每個發(fā)光塊上都裝有半導體納米碳管、有機發(fā)光二極管和壓力感應裝置。

　　這個壓力感應裝置基于賈韋團隊三年前的發(fā)明。那時，賈韋把微型金屬線安裝在一張塑料片上，若有外力按壓金屬線，力量大小的數(shù)據(jù)就會顯示在與塑料片相連的電腦上。

　　賈韋說，“我們不僅是在制造裝置，也是在創(chuàng)造系統(tǒng)。我們已經(jīng)證明，交互式電子皮膚可以包裹在不同的物體表面，這就產(chǎn)生了多種新型的人機交互模式，是一個了不起的系統(tǒng)。”

　　事實上，在電子皮膚中植入感應器已不是什么新鮮事，讓它具備分辨壓力的能力才是突破，而如今，賈韋團隊正在致力于讓電子皮膚具備感應溫度的能力。

　　越來越像人類皮膚

　　其實，電子皮膚的概念早已出現(xiàn)，而各國科研團隊首先要攻克的難題，就是要使其具有靈敏的“感覺”，因為，只有這樣，電子皮膚才可能模擬或取代機體皮膚。

　　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(xiàn)了電子皮膚可感知壓力。

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　　時隔兩年，該研究團隊在特殊塑料薄膜中重疊嵌入可感知壓力和溫度的兩組晶體管，并在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器來記錄電流起伏，由此可判斷出日常溫度和每平方厘米300克以上的壓力。

　　更令科學家欣喜的是，這種電子皮膚成本相當?shù)?，這也讓人看到了大規(guī)模制造和推廣的曙光。

　　在德國，慕尼黑工業(yè)大學的科學家也研制出了一款皮膚電路，利用紅外線傳感器和溫度傳感器，可探測相當于皮膚微小毛發(fā)所能感受到的物體距離，并模擬出人類皮膚的輕觸覺。

　　近年來，隨著尖端材料學研究的深入，石墨烯、碳納米等高科技材料因超輕薄、韌性強、電阻率小等優(yōu)良特性，也被科學家認為是電子皮膚的優(yōu)良“基底”。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20毫克的螞蟻的重量。

　　美國斯坦福大學化學工程系華裔女科學家鮑哲南領導的科研團隊，已成功研制出高靈敏度柔性橡膠材料。這種電子皮膚遍布高靈敏度電子感應器，獲得壓力時可改變內(nèi)部密度，可感知一只蝴蝶落在上面的壓力。此外，通過融合可拉伸式太陽能技術，這款電子皮膚還具備了自我發(fā)電等功能。

　　英國劍橋大學納米科學中心的研究人員，也正在嘗試將可隨意拉伸和變形的電路移植到透明的彈性硅膠上，力圖賦予電子皮膚更多近似于人體皮膚的物理特性。按照研究人員的設計，這種電子皮膚可包裹四肢與手臂，有望應用于皮膚移植。

　　大膽的設想

　　目前，對于大面積創(chuàng)傷、燒傷等病情，植皮幾乎是唯一的挽救辦法，而最好的植皮來源還是人體皮膚。進行這種手術時，醫(yī)生們要切取患者自身或他人的皮膚進行移植修復，這常常會給人的身心帶來新的創(chuàng)傷。此外，移植后的皮膚不僅十分脆弱，還存在觸覺削弱、免疫力下降等后遺癥。

　　如果電子皮膚能應用于臨床，對于需要皮膚移植的人來說無疑將是一大福音。然而，電子皮膚若真正移植于機體，還要解決其與周圍正常皮膚的神經(jīng)、肌肉、淋巴及腺體等和諧共生，將感知的觸覺反饋給神經(jīng)細胞，接受神經(jīng)元的指令等問題。這都是科學家下一步努力的方向。

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　　但電子皮膚的應用將不僅僅限于替代人類皮膚。

　　它或將給智能機器人領域帶來一場革命。機器人雖早已具備視覺和聽覺等功能，并能進行一些復雜的技術操作，但由于皮膚是機器人技術研發(fā)中容易忽視的部分，直接導致了笨重的“盔甲”難以檢測多方向的觸覺三維力，難以體會拿起一個蘋果、一個杯子或一塊鋼鐵所需力量的差異。

　　機器實現(xiàn)智能的基礎在感知，具備良好壓敏特性和柔韌性的電子皮膚可最大程度上模擬人手的操作，突破握住雞蛋而不捏碎，拿住酒瓶而不滑落等當前機器人研發(fā)領域存在的瓶頸。電子皮膚將能夠解決機器人的觸覺難題，使其敏感獲知環(huán)境信息，又具有靈活性。

　　對于引導未來IT潮流的可穿戴式電子設備，電子皮膚也將大有可為。未來，將不再需要給慢性病患佩戴電子監(jiān)視設備來跟蹤心率、血壓、血糖等指標，利用電子皮膚即可。比如，電子皮膚與智能手表和腕帶等結合后，只需把電子皮膚輸出的電學圖形信號加以比對分析，就可以實現(xiàn)“智能把脈”。

　　目前，中國科學院納米研究所科學家利用石墨烯與碳納米制成的電子皮膚，可精確測量脈搏波形與聲音波形，科學家假想，利用裝有電子皮膚的設備監(jiān)測咽喉部肌肉運動產(chǎn)生的微弱壓力變化，完全可將壓力變化信號轉化為語音，使其成為聾啞人群的“傳聲筒”。

　　微軟公司正在嘗試的創(chuàng)新型電子皮膚應用更為大膽。該公司正在和美國卡內(nèi)基梅隆大學合作，研發(fā)皮膚輸入式技術。其原理是利用影像感應器，將皮膚視為輕觸式屏幕，通過敲打與觸摸來傳輸指令，實現(xiàn)控制家用電器、打電話、操作簡單游戲等功能。目前，這項技術的操作準確率已超過80%，這或將推動智能家用設備的研發(fā)速率。

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來源：[db:出處]

作者：tee