我们已经有了自己的皮肤，还需要“电子皮肤”吗？

作者：叶丰明（中国科学院深圳先进技术研究院）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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在科幻电影《阿丽塔·战斗天使》中，人工智能机器人阿丽塔虽然身材纤细瘦小，却能够大杀四方，有着无比强大的战斗力。这要归因于她一身的“黑科技”，其中就包含比人类还灵敏的触觉，这就是传说中的“电子皮肤”的未来应用场景之一。电子皮肤可不仅仅是科幻中的想象，而是正在变成现实。

（图片来源：参考资料5）

谈电子皮肤，要先从“柔性电子”说起

你能想象吗？块状、僵硬的电子器件可以变得像纸或手机膜一样轻薄柔软，还能像橡皮一般有弹性，类似的这种电子器件被称为“柔性电子”。

在“柔性电子”的应用方面，“电子皮肤”是最不可忽视的。所谓“电子皮肤”，即为借助柔性电子技术制造像人体皮肤的电子器件。该电子器件需要像人的皮肤一样柔软，同时更需要拥有和皮肤一般的触觉感知能力。甚而，它还具备强于皮肤的方面，比如，帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号，提升人类与环境或自身的交互能力。那么，电子皮肤如何实现这些功能呢？

电子皮肤如何拥有触觉？

皮肤作为人体最大的器官，是触觉的载体，为我们提供环境中的物理信息。而这些物理信息又包含着哪些关键因素呢？大家现在不妨将手伸向身旁的任意一个物体，握住它，抚摸它，很快你就能感觉到物体的硬度、形状、材质和温度。如果能通过柔性电子技术实现对以上的物体性质的感知，我们就有可能建立起一套“机械化”的触觉感知系统，由此，我们还能进一步让机器人产生触觉或帮助触觉失灵的人重获触觉。

通过柔性电子技术实现触觉

我们能感受到物体的硬度，是因为我们的皮肤中分散着许多的压力感受器，这些感受器可以根据皮肤与物体接触时感受到的力的大小来分辨物体的软硬程度。

所以，通过压力传感器，电子皮肤也可以感知物体软硬程度。有多种方式可以达到压力传感的效果，其中最简单和最常用的一种是压阻式压力传感器，利用导电材料在形变时产生的电阻变化来实现传感。斯坦福大学的研究人员制备了柔软的、导电的高分子材料，并采用先进的加工技术在材料表面形成微米级的锥形阵列，然后将它与另一层柔软的导电材料接触，当上层材料受到压力时，锥形的尖端就会压缩。两层材料接触面积越大，流过的电流越大。【1】这样就实现了柔性压力传感。

上：生物体中压力信息传递；下：柔性压力传感器。（图片来源：参考资料1）

借助柔性压力传感器，还可以实现对物体形状的感知。我们的皮肤各处分散着压力感受器，但只有接触到物体的感受器才会给我们大脑发送信号。麻省理工学院的科研人员设计出了一种低成本的可伸缩触觉手套，上面分布着548个压阻型压力传感器，每个传感器可感知到的压力数值都能被详细记录下来。他们利用这个手套抓握了杯子、勺子、笔、石头等物体，记录手套抓握的数据，并录制视频。然后利用这些数据训练深度学习网络，从而鉴定出不同的物体。【2】

上、中：触觉手套及其结构；下：触觉手套抓握石头。(图片来源：参考资料2）

除了硬度和形状，当手指在材料表面游走时，触觉系统还会告诉我们，玻璃是光滑的，砂纸是粗糙的。那么，皮肤如何分辨材料表面的粗糙程度？

皮肤上的触觉感受器分为慢适应感受器（SA Receptor）和快适应感受器（FA Receptor）。慢适应感受器对静态压力敏感，主要负责感知皮肤表面高分辨率的静态压力分布和皮肤的拉伸状况。之前介绍的柔性压力传感器就是用于模仿这类感受器。快适应感受器则可以感知高频率的动态压力或震动，对皮肤表面快速压力刺激能做到及时响应。我们的指纹有着精细的结构，它的宽度在微米量级。当皮肤滑过材料表面，指纹与材料表面微米甚至毫米级别的突起互相作用，从而使皮肤产生高频振动，被快适应感受器感知，随后向大脑反馈振动频率，于是，我们就能感知材料表面的粗糙度。对材料表面粗糙度的感知再加上对材料硬度的感知，我们就能识别物体的材质。

皮肤中触觉感受器构成。(图片来源：参考资料3）

来自韩国的团队仿造皮肤的这一结构，制造出了一种触觉传感器。他们用柔性压力传感器模仿慢适应传感器来感知压力大小和分布，用摩擦纳米发电机技术来模仿快适应感受器，配合触觉传感器表面的仿指纹结构。随后，他们借助深度学习技术，将触觉传感器在12种纺织品表面来回扫描，获得的数据用来训练神经网络。最终，触觉传感器能够分辨这些织物的材质，准确率高达99.1%。【3】

人造触觉传感器。(图片来源：参考资料3）

通过柔性电子技术构建对硬度、压力、形状和材质的感知，再与柔性拉伸传感器、温度传感器等集成，我们基本就能构建拥有触觉的电子皮肤。

赋予机器人更灵敏的触觉

电子皮肤最直接的应用就是智能机器人。机器人拥有触觉后，就能更充分、精准地读取环境中的压力信号，从而行动也会更为精准、多样、有效。比如，现在的机器人缺乏对物体精确的力量反馈，不能对小尺寸、柔软的物体实行精准的抓握和操纵。而电子皮肤则可提供精细的力学反馈，帮助未来的机器人完成准确的抓握和操纵任务（如精准手术）。

机器人对柔软物体抓握。(图片来源：参考资料4）

在电影中，阿丽塔找回了为她量身定做的“狂战士躯体”，她的身躯表面有了更高密度的压力传感器和材质传感器，使她的触觉更灵敏，拥有了更强大的战斗力。

阿丽塔触觉变灵敏。(图片来源：参考资料5）

有了更灵敏的触觉后，机器人也能拥有人类独特的体验哦，比如……

亲吻。

阿丽塔有了新体验。(图片来源：参考资料5）

失去触觉感知的人还有可能恢复触觉吗？

如果能把电子皮肤应用在失去触觉的人（如高位截瘫或皮肤大面积烧伤的患者）身上，他们就可以重获触觉，继续享受美好生活。

不过，尽管我们可以在传感器层面上实现对物体的感知，但将传感器信号有效地转换为大脑能够理解的神经电信号仍旧十分困难。幸运的是，目前有一种方法有望攻克这一技术难题，那就是：仿生！

Just for kidding… (图片来源：网络 + 作者修改）

神经系统是如何处理触觉信息的？皮肤内的多种触觉感受器将捕捉到的触觉信息通过多层中间神经元传输到脊椎，神经纤维内的多种传入神经和突触会将感受器的传入信号进行编码和分离。最后脊椎将编码和分离后的信号传输到大脑。简单地说，如果我们想让人工触觉传感器的信号能顺利被大脑接受和理解，我们就得模仿神经系统对传入信号的编码方式。

针对这个问题，科学家们发明了人造传入神经。这种人造传入神经有三个核心成分：压阻型压力传感器、有机环形震荡器和突触晶体管。压力传感器负责获取压力信息。环形振荡器代替神经纤维，将压力信号转化为与感觉神经元动作电位的频率相匹配的电压脉冲。突触晶体管将这些脉冲信号整合并转化为突触后电流，并与生物体内的传出神经对接，形成一个完整的单突触反射弧。

人造传入神经技术路线。(图片来源：参考资料6）

随后，他们将人造传入神经与蟑螂腿上的传出神经对接，对压力传感器施加一定压力。压力信号转换成突触后电流，电流经过放大后传输到蟑螂腿上的传出神经，成功地驱动了蟑螂腿的运动。【5】

人造传入神经驱动蟑螂腿。（图片来源：参考资料6）

上述成果还没能达到我们的最终目的：在大脑中形成触觉体验。当然，如果采用脑机接口技术，用编码后的信号对大脑特定区域和细胞进行刺激，就能够实现触觉体验。然而，因为目前对知觉的神经编码的理解十分有限，再加上脑机接口技术的发展需要进一步突破，我们目前离攻克这一技术难题还有一定距离。【7】

我们已经有了自己的皮肤，还有必要再造皮肤吗？

电子皮肤研究的先驱之一，斯坦福大学的鲍哲南教授说过这样一句话：“我们需要找到一条路径，让人造皮肤可以提高我们现在的功能，否则为什么要把一个人造皮肤放在我的身上。”【8】

除了建立触觉系统，我们还可以利用柔性电子技术使各类传感器拥有皮肤一般的性质，比如柔软、可拉伸、自愈合等，然后将它们覆盖在皮肤上或衣服上，随时随地感知环境和自身的信息。这类电子皮肤可看成如今的可穿戴设备的升级形态，它们能够大幅提升信号获取的效率，从而提升设备的传感效率，还可以使得穿戴设备更为舒适。

鲍哲南教授领导的研究团队研制了一套监测健康状况的传感器系统。这个系统分为两个部分：一部分是可贴在皮肤上的传感器贴片，用于收集人体的脉搏、呼吸、运动等诸多生理信号；另一部分是缝制在衣服中的柔性信号阅读器，采用无需电池的非传统射频识别技术，读取皮肤上传感器贴片传输出来的生理信号，并通过蓝牙将这些信号传输到手机app上。他们将这些传感系统贴在志愿者的手腕、肩膀、胸口等部位，构成“身体网”（BodyNet），在不影响他们正常活动的情况下监测脉搏、肢体运动、呼吸等信号，信息传输到app上，使得健康监测不再依赖医院里笨重复杂的监测系统。【9】

“身体网”原理及应用。(图片来源：参考资料9)

中国科学院深圳先进技术研究院鲁艺研究员团队合成了一种新型超柔软导电聚合物，这种聚合物对微小的形变非常敏感。以该聚合物为材料制作柔性压力传感器，将传感器放置在手腕上，不仅成功采集了桡动脉脉搏信号，还能清晰分辨每个脉搏波形的特征峰。这些高精度的波形信号可进一步用于心血管疾病的诊断和监测。【10】

上：柔性压力传感器；下：脉搏波形及其特征峰。（图片来源：参考资料10）

此外，人们还能借助其他物理化学原理来让电子皮肤具备更多功能。比如，针对外界环境而言，电子皮肤可被用来感知阳光中紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等；针对人体自身而言，电子皮肤可无创地监测体液中血糖等生理指标信息，采集脑电、肌电和心电信息等。

这些电子皮肤同样给人无限的遐想空间。借助计算机、机器人技术的发展，未来的机器人可以拥有多维度的感知能力和更丰富的任务执行力。借助脑机接口技术的突破，人类就能拓展自身的基本知觉，大家发挥自己的想象力，如果未来你有了这些“超能力”，你的生活会发生怎样的变化呢？

结语

让机器人变成有感情有知觉的阿丽塔，触觉受损的人重新触摸到世界，这些目前看来都颇具科幻气息。相比之下，可穿戴多功能的电子皮肤会在不远的未来进入到我们生活中。相信在这个多学科高度融合的时代，相关科技能快速取得更多的突破。就让我们耐心等待“电子皮肤”时代的到来吧！

参考资料

1、Tee, B. C. K. et al. A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science 350, 313-+, doi:10.1126/science.aaa9306 (2015).

2、Sundaram, S. et al. Learning the signatures of the human grasp using a scalable tactile glove. Nature 569, 698-702, doi:10.1038/s41586-019-1234-z (2019).

3、Chun, S. et al. Self-Powered Pressure- and Vibration-Sensitive Tactile Sensors for Learning Technique-Based Neural Finger Skin. Nano Lett. 19, 3305-3312, doi:10.1021/acs.nanolett.9b00922 (2019).

4、Bartolozzi, C. Neuromorphic circuits impart a sense of touch. Science 360, 966-967, doi:10.1126/science.aat3125 (2018).

5、电影《阿丽塔·战斗天使》.

6、Kim, Y. et al. A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve. Science 360, 998-+, doi:10.1126/science.aao0098 (2018).

7、Chortos, A., Liu, J. & Bao, Z. Pursuing prosthetic electronic skin. Nat Mater 15, 937-950, doi:10.1038/nmat4671 (2016).

8 、孙滔. 独家专访鲍哲南：一款“人造皮肤”产品即将进入医院. DeepTech深科技.

9、Niu, S. et al. A wireless body area sensor network based on stretchable passive tags. Nature Electronics 2, 361-368, doi:10.1038/s41928-019-0286-2 (2019).

10 、Ye, F., Li, M., Ke, D., Wang, L. & Lu, Y. Ultrafast Self‐Healing and Injectable Conductive Hydrogel for Strain and Pressure Sensors. Adv Mater Technol 4, doi:10.1002/admt.201900346 (2019).

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