Science：鲍哲南团队开发出能够模拟触觉的柔性“电子皮肤”，迈向人造皮肤的一大步

“仿生皮肤”是科幻电影中经常出现的一种“黑科技”，它可以完美复现真实皮肤的触觉、痛觉和温度感知等功能，让人造假肢、仿生机器人拥有真实感觉。随着技术的进步，这一科幻概念正在一步步写入现实。

2023年5月18日，斯坦福大学鲍哲南教授团队在 Science 期刊发表了题为：Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin 的研究论文。中国北京市神经外科研究所和韩国庆尚大学是该研究的参与机构。

该研究开发出一种“电子皮肤”——e-skin，它具有单片集成、低电压和柔软等优良特性，可以模仿手指、脚趾或四肢在被戳或烫伤时的感觉。

这是第一个将人类皮肤的传感和所有所需的电气和机械特征结合在一起的柔性、耐用的仿生皮肤形式，可用于下一代假肢皮肤和创新的人机界面，以提供类似人类的触觉，使截肢者或皮肤受损的人重新拥有触觉、痛觉和温度感知，触摸世界、感受世界。

皮肤是人体最大的器官，同时也是机体感知外界的感受器。夏日里冰镇汽水的沁凉，隆冬时围炉烤火的温暖，山间清风拂面，浅溪石子咯脚，皮肤中的机械感受器感知这些繁杂的外界信息，并将其转化为神经冲动传输到大脑，方可在我们脑海中形成触觉、冷觉、温觉和痛觉等诸多感觉。

想要复刻天然皮肤的这些功能，电子仿生皮肤需要有传感器和集成电路。遗憾的是，这些电子元件通常由刚性半导体制成，并且它们只能在高电压下工作，这对于可穿戴设备来说在便捷性和安全性上存在很大的不足。

生物皮肤（左）与电子皮肤（右）

长期以来，鲍哲南教授及其团队一直在尝试制造一种柔软而有弹性的仿生皮肤，它可以向大脑传输电信号，让佩戴者“感受到”压力、张力或温度的变化。在这项最新研究中，为了制造完全柔软的电子皮肤，鲍哲南团队开发了一种柔性聚合物作为电介质，用于半导体设备中的薄层，它决定信号的强度和运行设备所需的电压。

通俗来说，就是将电子皮肤“软化”——将其中所有的刚性材料替换成软材料，并确保其仍然具有良好的电气性能。

然后，研究团队用电介质制造出有弹性的、灵活的晶体管阵列，并将其组合成一个像皮肤一样薄而柔软的传感器。传感器可以将物理变化，如施加的压力或温度的变化，转化为电脉冲。与此同时，研究团队还制造了一种可以将电信号从神经传输到肌肉的装置，模拟神经系统中称为突触的连接。

电子皮肤可产生仿生脉冲序列，并具有低压驱动软电路系统

鲍教授团队在小鼠身上测试了该系统，这块电子皮肤通过一根电线连接到小鼠的体感皮层——大脑中负责处理身体感觉的部分。当电子皮肤被触摸时，它会向大脑发送电信号，然后通过人造突触传递到小鼠腿部的坐骨神经，导致肢体抽搐。

从这一点来看，这种类型的电子皮肤可以用于遭受重大伤害或有感觉障碍的人。鲍哲南教授表示，从长远来看，他们希望开发一种侵入性较小的系统——无要植入大脑而只需要植入周围神经系统，无疑更安全且患者接受度更高。

低压驱动的软电子皮肤系统的人工感知驱动回路

目前，这种电子皮肤还必须连接到外部电源，但鲍哲南教授希望最终能开发出一种无线设备，并在此基础上获得更多突破，例如开发出覆盖手部所有手指并对触摸、温度和压力做出反应的皮肤。

尽管如此，拥有一个实现从感受到中枢神经再到肌肉运动的电子皮肤还是非常令人兴奋的。鲍哲南团队的这项研究在很大程度上是对一个概念的证明，是将科幻写入现实的前言。事实上，在人工假肢领域，许多团队都局限于研究单个部件，因此，像鲍哲南团队一样将它们整合到一个系统中，是向前迈出的重要一步。

人工突触的构建

更有意思的是，这项研究还可以用于突破人类极限，例如创造一种使大拇指和小姆指能够感知不同事物的皮肤，为特定的大脑区域量身订造一款仿生皮肤，从而在特殊作业中实现更高的灵敏度和精确度。这些都将增加这项技术在未来的实用性。

参考资料：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086
2. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01684-9