新開發(fā)的電子皮膚能夠產(chǎn)生類似神經(jīng)脈沖的電信號(hào)

人類皮膚中的機(jī)械感受器可以感知蝴蝶的微妙重量，感受到附近火焰或冷飲的熱度，理解一只手是握拳還是在打和平手勢(shì)，并通過輕輕的觸摸來計(jì)算所愛之人的脈搏?？释圃烊嗽祀娮悠つw的工程師們迄今為止已能夠制造出模擬這些非凡感覺的柔軟、靈活的材料，但是在此之前他們從未創(chuàng)造出能夠直接與大腦對(duì)話的類似皮膚的材料。

雖然以前的努力需要?jiǎng)傂缘碾娮悠骷⒏袘?yīng)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成大腦可以讀取的電脈沖，但是來自美國斯坦福大學(xué)的研究人員在一項(xiàng)新的研究中制造出了軟集成電路（soft integrated circuit），可以將感知到的壓力或溫度轉(zhuǎn)換成類似于神經(jīng)脈沖的電信號(hào)，與大腦交流。他們希望有朝一日，這些信號(hào)可能會(huì)被引導(dǎo)到植入外圍神經(jīng)的無線通信芯片中，使截肢者能夠控制假肢。其他潛在用途可能包括新時(shí)代的植入式或可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

論文通訊作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授Zhenan Bao說，“我們已研究了一段時(shí)間的單片式電子皮膚（monolithic e-skin）。所面臨的障礙并不在于找到模擬人類觸覺能力的機(jī)制，而在于只使用類似皮膚的材料將它們結(jié)合在一起。”

論文共同第一作者、Bao實(shí)驗(yàn)室的博士生Weichen Wang說，“該挑戰(zhàn)的大部分歸結(jié)為推動(dòng)類皮膚電子材料的發(fā)展，使其能夠被納入集成電路，并具有足夠的復(fù)雜性以產(chǎn)生類似神經(jīng)的脈沖序列和足夠低的工作電壓，以便安全地用于人體。”

技術(shù)的層級(jí)

他們的目標(biāo)是建立一種可以模擬感覺感受器機(jī)制并在低電壓下有效運(yùn)行的軟集成電路。不幸的是，Wang的第一次嘗試要求的電壓高達(dá)30多伏，無法實(shí)現(xiàn)足夠的電路功能。他說，“這種新的電子皮膚僅在5伏電壓下運(yùn)行，可以檢測(cè)到與真實(shí)皮膚類似的刺激?！?/span>

人造皮膚將對(duì)新時(shí)代的假肢至關(guān)重要，它們不僅能恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和功能，如抓握，還能提供感官反饋（本體感覺），幫助用戶精確地控制這種設(shè)備。不僅如此，感覺皮膚材料本身必須一次又一次地拉伸和恢復(fù)，同時(shí)永遠(yuǎn)不會(huì)失去其類似神經(jīng)的電特性。

這些作者發(fā)明了一種三層電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，與單層電介質(zhì)相比，有助于將電荷載體的流動(dòng)性提高30倍，使得軟集成電路能夠在低電壓下運(yùn)行。有趣的是，這種三層結(jié)構(gòu)中的一層是丁腈橡膠，這種橡膠也被用于外科手術(shù)手套。大部分電子皮膚是由許多層類似皮膚的材料組成的。每層中都集成了有機(jī)納米結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，即使在被拉伸時(shí)也能傳輸電信號(hào)。這些網(wǎng)絡(luò)可以被設(shè)計(jì)為感知壓力、溫度、張力和化學(xué)物。

每個(gè)感官輸入都有自己的集成電路。然后，所有不同的感覺層必須被夾在一起，成為一個(gè)單一的整體材料，不能分層、撕裂或失去電子功能。

每個(gè)電子層只有幾十到幾百納米厚，六層左右的成品材料不到一微米。Bao說，“不過這實(shí)際上太薄了，不容易處理，所以我們用一個(gè)襯底來支持它，這使我們的電子皮膚達(dá)到大約25～50微米的厚度---大約是一張紙的厚度。它與人類皮膚外層的厚度范圍相似。”

新一代的進(jìn)步

這種系統(tǒng)是第一個(gè)以柔軟、耐用的形式將傳感和人類皮膚的所有理想電氣和機(jī)械特征結(jié)合起來的系統(tǒng)，可用于下一代假體皮膚和創(chuàng)新的人機(jī)界面，以提供類似人類的觸覺。

他們的原型系統(tǒng)已制造出，Bao、Wan及其研究團(tuán)隊(duì)如今開始增加他們的技術(shù)的復(fù)雜性和可擴(kuò)展性，增加無線功能，以及與大腦和身體周邊的接口方式。