電子皮膚超仿真將不是夢

近年來，美、日、德、中等國研究人員各自開發(fā)出觸感細微的電子皮膚，并已解決了其互動性、延展性等技術(shù)難題.人造電子皮膚取代真皮移植?或許不久后，這將成為現(xiàn)實，不再是癡人說夢。

目前，美、日、德、中等國研究人員各自開發(fā)出觸感細微的電子皮膚，并已解決了其互動性、延展性等技術(shù)難題。科學(xué)家斷言，除了醫(yī)學(xué)植皮，電子皮膚更能在機器人設(shè)計、可穿戴設(shè)備、人工智能等領(lǐng)域大展身手。

跟“切膚之痛”說再見

在古代亞洲和歐洲，“割肉補瘡”有近2500年的歷史，只不過考慮當(dāng)時的醫(yī)療和麻醉水平，這似乎更是一種酷刑?，F(xiàn)代植皮手術(shù)最早出現(xiàn)在19世紀末。數(shù)據(jù)顯示，全世界每年接受皮膚移植的患者人數(shù)近20萬，存在不可恢復(fù)性皮膚創(chuàng)傷且尚未接受植皮手術(shù)的患者總數(shù)超過400萬。

對皮膚組織的不可修復(fù)性損壞，考慮到身體排斥性反應(yīng)，植皮幾乎是唯一選擇。醫(yī)生主要靠切取患者自身或他人皮膚進行移植修復(fù)，難以忍受疼痛不說，還會在患者取皮部位留下新創(chuàng)傷，身體和心靈的創(chuàng)痕往往難以磨滅。

此外，大面積皮膚損傷患者的植皮來源也是問題。移植后的皮膚十分脆弱，還存在觸覺減弱、免疫力下降等后遺癥。在各國科學(xué)家的努力下，超仿真電子皮膚模型正在成熟。如果投入人體試驗，這將是患者的福音。

超仿真不是夢

電子皮膚模擬、還原甚至取代機體皮膚，首先要具備感覺和觸覺，即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力，暢通傳導(dǎo)觸覺信號的最基本功能。

早在2003年，日本東京大學(xué)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)了電子皮膚感知壓力。

時隔兩年，該研究團隊又在特殊塑料薄膜中重疊嵌入分別感知壓力和溫度的兩組晶體管，在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器記錄電流起伏，可判斷出日常溫度和每平方厘米300克以上的壓力。此外，這種電子皮膚成本相當(dāng)廉價，每平方米只需100日元(約1美元)。

美國加州大學(xué)伯克利分校研究團隊設(shè)計出的電子皮膚，可辨別更細微的壓強，這種由聚合樹脂和敏感橡膠覆蓋鍺硅混合納米線制成的皮膚，可感知50克以下的細微壓力。

隨著尖端材料科學(xué)研究的深入，石墨烯、碳納米等特殊材料因超輕薄、韌性強、電阻率小等優(yōu)良特性，被科學(xué)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，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。

英國劍橋大學(xué)的研究人員，也正在嘗試將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人體皮膚的物理特性。按照設(shè)計，這種電子皮膚可包裹四肢與手臂，有望應(yīng)用于皮膚移植。

然而，電子皮膚真正移植于機體前，還要考慮皮膚內(nèi)部的生理功能與結(jié)構(gòu)問題。電子皮膚如何才能與周圍正常皮膚的神經(jīng)、肌肉、淋巴及腺體等和諧共生?如何將感知的觸覺反饋給神經(jīng)細胞，并接受神經(jīng)精確無誤的指令傳輸?這都是科學(xué)家們下一步努力的方向。

皮膚搭起“橋梁”

電子皮膚的應(yīng)用絕不局限在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同3D打印、大數(shù)據(jù)等創(chuàng)新科技成果一樣，電子皮膚將為某些領(lǐng)域帶來質(zhì)的改變。

目前，即便世界上最逼真、最仿生的義肢，也難以實現(xiàn)觸覺的突破。具有觸感能力的電子皮膚，卻完全能使假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，幫助配有假肢的人恢復(fù)感覺。

跳出醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，電子皮膚無疑將是研發(fā)智能機器人領(lǐng)域的革命。機器人設(shè)計雖早已實現(xiàn)視覺和聽覺等功能，并能進行一些復(fù)雜的技術(shù)操作，但由于皮膚恰恰是機器人技術(shù)研發(fā)中容易被忽視的部分，直接導(dǎo)致笨重的“盔甲”往往難以檢測多方向的觸覺三維力，難以體會拿起一個蘋果或一個杯子所需力量的差異。

具備良好壓敏特性和柔韌性的電子皮膚可解決機器人設(shè)計的難題，它既能幫助機器人敏感獲知環(huán)境信息，又賦予了其機械靈活性。

對引導(dǎo)未來IT潮流的可穿戴設(shè)備，電子皮膚也大有可為。作為一種可嵌入或覆蓋人體的高精尖設(shè)備，未來不需要給慢性病患佩戴電子監(jiān)視設(shè)備來跟蹤心率、血壓、血糖等指標，電子皮膚就是人體健康最好的指示標。

例如電子皮膚與智能手表和腕帶等結(jié)合，只需要把電子皮膚輸出的電學(xué)圖形信號加以比對分析，就可實現(xiàn)“智能把脈”。科學(xué)家還設(shè)想，利用裝有電子皮膚的設(shè)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(zhuǎn)化為語音，為聾啞人群充當(dāng)“傳聲筒”。

電子皮膚正在超越皮膚本身的屬性。從技術(shù)趨勢來看，電子皮膚為假肢制造、機器人設(shè)計、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域搭起了橋梁。