電子皮膚與主體交互有望取代智能可穿戴健康設(shè)備

　　近日，日本東京大學(xué)的研究人員研制出一種新型的電子皮膚。這種新型電子皮膚的厚度只有3微米，與人類(lèi)皮膚能夠達(dá)到近乎完美的融合。此外，研究人員在電子皮膚中加入了一種有機(jī)高分子發(fā)光二極管（PLED），使得這種超薄的電子皮膚轉(zhuǎn)化為“電子顯示屏”，并讓它看起來(lái)像一個(gè)紋身。

　　盡管這種新型皮膚目前只能測(cè)出用戶的血液氧濃度，不過(guò)，研究人員正在進(jìn)行下一步研發(fā)，他們希望這款皮膚在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)讓用戶得知自己的健康數(shù)據(jù)，讓工人查看圖表等功能。屆時(shí)，電子皮膚這種無(wú)縫穿戴技術(shù)就可替代當(dāng)前的智能手表等可穿戴技術(shù)了。

　　電子皮膚是一項(xiàng)頗為有趣而且重要的技術(shù)，在醫(yī)療、科技、智能等領(lǐng)域都有不少用途?？梢哉f(shuō)，電子皮膚的潛力極大。不過(guò)，目前這項(xiàng)技術(shù)仍處于初級(jí)的試驗(yàn)階段，尚不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

　　電子皮膚在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作用重大，皮膚移植、制作假肢都需要

　　電子皮膚，是一種可以讓機(jī)器人產(chǎn)生觸覺(jué)的系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可被加工成各種形狀。能像衣服一樣附著在設(shè)備表面，能夠讓機(jī)器人感知到物體的地點(diǎn)和方位以及硬度等信息。電子皮膚能夠模擬、還原甚至取代機(jī)體皮膚。正因?yàn)檫@些特性，電子皮膚在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。

　　首先想到的就是醫(yī)療方面。因?yàn)槿梭w的皮膚一旦損壞便不可修復(fù)。在古時(shí)的亞洲和歐洲，有“割肉補(bǔ)瘡”的方法來(lái)修復(fù)皮膚損傷，并持續(xù)了2500年左右。但是，當(dāng)年的醫(yī)療和麻醉水平都極為落后，對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，無(wú)異于在接受一種酷刑。

　　直到19世紀(jì)末。植皮手術(shù)出現(xiàn)。然而，這種手術(shù)的方法是切取患者自身或其他人的皮膚進(jìn)行移植修復(fù)。不僅會(huì)產(chǎn)生劇烈的疼痛，更會(huì)給患者的身心帶來(lái)雙重的創(chuàng)傷。另外，移植后的皮膚脆弱異常，并容易引發(fā)觸覺(jué)減弱、免疫力下降等一系列后遺癥。

　　然而，需要接受這種手術(shù)的人并不在少數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年需要接受皮膚移植的患者人數(shù)在20萬(wàn)左右，而存在不可恢復(fù)性皮膚創(chuàng)傷并尚未接受植皮手術(shù)的患者數(shù)量更是超過(guò)了400萬(wàn)。由此看來(lái)，電子皮膚對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域的重要性不言而喻。

　　在各國(guó)研究人員的努力下，超仿真電子皮膚正在逐漸得以發(fā)展。早在2003年，東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就已利用并五苯這種低分子有機(jī)物制成薄膜，并在其中密布?jí)毫鞲衅鳎闺娮悠つw擁有了感知壓力的功能。

　　兩年之后，這一團(tuán)隊(duì)又在電子皮膚中分別嵌入了兩組能夠感知壓力和溫度的晶體管，在晶體管電線交叉點(diǎn)使用微傳感器記錄電流的起伏狀況，由此可以判斷出日常溫度和感知到超過(guò)300g/c 的壓力。最棒的是，這種電子皮膚的成本極為廉價(jià)，是100日元/ （約合1美元）。

　　無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了由聚合樹(shù)脂和敏感橡膠覆蓋鍺硅混合納米線制成的電子皮膚。這種皮膚更為敏感，可感知50g以下的細(xì)微壓力。

　　英國(guó)劍橋大學(xué)的研究人員則嘗試著將能夠隨意拉伸變形的電路移植到透明的彈性硅膠上，希望賦予電子皮膚更多類(lèi)似于人類(lèi)皮膚的物理特性。這種皮膚能夠包裹四肢和手臂，并有望應(yīng)用在皮膚移植方面。

　　此外，電子皮膚還可被用于假肢的制作。應(yīng)用了電子皮膚的義肢能夠與人類(lèi)的真實(shí)肢體更加接近，讓患者有更多復(fù)雜的知覺(jué)?？梢哉f(shuō)，電子皮膚為患者帶去了福音。

　　電子皮膚為智能領(lǐng)域帶去革命，未來(lái)或取代可穿戴設(shè)備

　　除了醫(yī)療領(lǐng)域外，電子皮膚將為智能機(jī)器人領(lǐng)域帶去一場(chǎng)革命。目前的機(jī)器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，甚至能夠替代人類(lèi)做一些工作。然而，皮膚恰恰是在機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)中最不易被注意的部分。因此，機(jī)器人往往難以感知復(fù)雜的三維觸覺(jué)力度，不能體會(huì)拿起乒乓球與蘋(píng)果所需力量的差異。

　　對(duì)于這一難點(diǎn)，電子皮膚則可以很好地進(jìn)行解決。電子皮膚擁有良好的壓敏特性及柔韌性，既能夠賦予機(jī)器人敏感的觸覺(jué)，又能改善其機(jī)械笨重的動(dòng)作，增強(qiáng)機(jī)器人的靈活性。

　　當(dāng)前，可穿戴設(shè)備極為火熱，在這一領(lǐng)域中，電子皮膚也有機(jī)會(huì)大顯身手。比如可以將電子皮膚與智能手表及腕帶相結(jié)合，只需將電子皮膚輸出的電學(xué)圖形信號(hào)稍作分析，就可實(shí)現(xiàn)“智能把脈”?？茖W(xué)家們還設(shè)想可以在設(shè)備中植入電子皮膚用以監(jiān)測(cè)咽喉部位的肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微弱壓力，從而將變壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音，讓聾啞人擁有“傳聲筒”。

　　日本此次研發(fā)的PLED電子皮膚則能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的功能。當(dāng)感知到電脈沖時(shí)，其上的燈可以通過(guò)PLED的不同排列顯示出更加復(fù)雜的信息，如字母或數(shù)字。這款電子皮膚外面有鈍化層的保護(hù)，能夠使電子皮膚免受氧氣和水蒸汽的入侵，延長(zhǎng)發(fā)光時(shí)間。同時(shí)，它比同類(lèi)產(chǎn)品產(chǎn)生更少的熱量并消耗更少的電量。

　　隨著對(duì)電子皮膚研究的進(jìn)一步深入，擁有更強(qiáng)韌性和更小電阻率的石墨烯、碳納米等更多的尖端材料被發(fā)現(xiàn)能夠應(yīng)用于電子皮膚中。我國(guó)的研究人員就使用碳納米管傳感器制成了高靈敏度的電子皮膚，它甚至連20毫克重的螞蟻都能夠感受得到。

　　作為一種可以覆蓋甚至嵌入人體的技術(shù)，電子皮膚在未來(lái)或能取代可穿戴設(shè)備。到時(shí)候患者不需再佩戴著繁多的監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)跟蹤血壓、心率等一系列指標(biāo)，一塊電子皮膚就能統(tǒng)統(tǒng)搞定。

　　要實(shí)現(xiàn)上述功能，就要求電子皮膚與人類(lèi)及機(jī)器都能夠很好的交互。那么，這種交互具體是如何加深的？處于初級(jí)階段的電子皮膚又將如何發(fā)展呢？

　　電子皮膚與應(yīng)用主體交互逐漸加深，但仍處于初級(jí)階段

　　皮膚，是人類(lèi)與大腦聯(lián)系的媒介。人類(lèi)的皮膚極為靈敏，通過(guò)感知將信號(hào)傳輸給大腦，有助于我們更好地了解世界。

　　但是對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要做到這一點(diǎn)是非常艱難的。過(guò)去數(shù)十年間，科學(xué)家們一直致力于讓機(jī)器人更加接近人類(lèi)。開(kāi)始的時(shí)候，它們最多只能擁有一種類(lèi)型的感知。研究人員試圖將多種感受系統(tǒng)進(jìn)行整合，但結(jié)果并不理想。

　　之后，《科學(xué)雜志》上的一篇文章使韓國(guó)的科學(xué)家們得到了啟發(fā)。這篇文章的大意是說(shuō)指紋是皮膚上最為敏感的部分，其中真皮層與表皮層的連結(jié)，使皮膚產(chǎn)生了更多的接觸點(diǎn)。因此，他們研究出了有隆起線條并夾雜著兩層薄膜的人造皮膚。這種皮膚甚至可以感知到一根頭發(fā)的存在，還能辨別濃密的胡子與輕微的胡茬之間的區(qū)別。

　　再后來(lái)，各種高精尖技術(shù)被加入到電子皮膚中。從上文的例子就可以看出，電子皮膚技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的階段了，電子皮膚與人類(lèi)及機(jī)器等應(yīng)用主體的交互也逐漸加深。

　　盡管電子皮膚在技術(shù)方面有很大的突破，然而，這一領(lǐng)域卻仍處于初級(jí)階段。新加坡材料與工程研究所的皮膚研究人員本杰明·提表示：“我們現(xiàn)在處于非常初期的階段，電子皮膚的現(xiàn)狀就像北大荒一樣”?？茖W(xué)家們還在不斷拓荒，新想法不斷產(chǎn)生，就看哪個(gè)有像樣的規(guī)格能夠進(jìn)行大批量且低成本的生產(chǎn)了。

　　從技術(shù)上看，電子皮膚已經(jīng)超出了皮膚本身的屬性，為皮膚移植、制造義肢、機(jī)器人研發(fā)、可穿戴設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域搭建了橋梁。不過(guò)，電子皮膚在技術(shù)上仍有需要改進(jìn)的地方。例如將電子皮膚移植到人體之前，要考慮皮膚內(nèi)部的生理功能和結(jié)構(gòu)。電子皮膚與人體中正常的淋巴、肌肉等達(dá)到和諧，并接受神經(jīng)系統(tǒng)精準(zhǔn)的傳輸，要實(shí)現(xiàn)這些都需要進(jìn)一步的努力。

　　電子皮膚是個(gè)神奇的發(fā)明，在諸多重要領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但是就目前的情況來(lái)看，由于技術(shù)上尚處初級(jí)階段，電子皮膚還不能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，亦無(wú)法真正投入使用。想要體驗(yàn)到這種新型技術(shù)，尚需時(shí)日。