可穿戴设备“黑科技”——电子皮肤

        当今社会，可穿戴智能设备已经普及开来，相信大家都听说过智能眼镜、智能手表、智能腕带等，不过要说现在最黑科技的可穿戴设备，应当非“电子皮肤”莫属！
        电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激（压力、温度、湿度）的新型电子器件。电子皮肤作为一种柔性触觉仿生传感器已经广泛地应用于人体生理参数检测与机器人触觉感知等领域，近年来是世界各国研究者广泛关注的热点。曾有业内人士指出，电子皮肤的出现有可能终结所有可穿戴设备。
现在这种新型人造皮肤可做到感受外界压力、温度等的变化，并通过电路向我们的大脑发送信号，从而产生近乎真实的触觉。其灵敏度之高，甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量！如此高能的科技是怎么做到的呢？
        
        首先，我们对电子皮肤做个简单的“解剖”，它主要是由三部分元件构成：传感器、信号转换与传输电路、具有特殊蛋白的神经细胞。通过这三类元件，电子皮肤实现了触觉信号的接收，转换和传递。不要小看这三种元件，每一个都大有来头。
       

          电子皮肤感应信号并传导到大脑的示意图

    1. 首先是传感器，它是电子皮肤的感受器。感受不同的外部环境所需的传感器也不同，比如压力传感器可以感受压力的变化并转换为电阻，从而实现了由压力信号到电信号的转变。一般压力传感器有电容式和电阻式的形式。
        
            电容式和电阻式压力传感器原理示意图
        电容式传感器（顶部）通常是通过改变两个平行板电极之间的距离改变电容的大小，可以有很好的灵敏度和线性度。电容式传感器的电介质可以是固体聚合物，微结构弹性纤维，或是空气介质。电阻传感器则是采用两种机制：内部材料压电电阻（中部）或结构化导体和电极间的接触电阻（底部）。在第一个机制中，施加压力可以改变半导体的能带结构或在聚合物组分中导电填料的分布，导致电阻变化。不过，一般压阻聚合物复合材料表现出大滞后和大干扰，低温度敏感性和低压力灵敏度。科学家们研究了依赖于调制的接触电阻的电阻传感器。接触电阻的变化是由在导体和电极之间接触面积变化所引起的，不是天生对温度敏感，因此可以把混杂温度效应最小化。此外，由于接触电阻是一个表面效应，设备可以非常薄，从而提高灵活性和延展性，减少元素之间的串扰，使得接触电阻式传感器备受偏爱。
    2. 信号的接收之后，有一个转换和传输电路。它能够将电阻变化转换成电脉冲信号，随着压力的增加，电脉冲频率也会相应增加。通过脉冲的大小控制感知区域的感觉和大小。改变刺激的振幅，放大器可以放大传感器阵列记录的信号。额外的电路是为了用来控制刺激的波形。数据传输模块在灵活和可伸缩的互联上，可以记录、转换和传输从传感器到神经组织的信号。
        
          信号转换和传输电路
    3. 最后科学家用纤维耦合激光器或灵活多彩发光二极管阵列（LED）等将电信号转换为光信号，传输到一种特殊的神经细胞上，这种神经细胞内含有一种蛋白-特定的视蛋白(光敏蛋白质)，它可以吸收光信号并转换为神经电信号，在潜在的接口和神经元（图5）比如脑皮层感觉神经元引发光刺激，从而实现了神经信号的传递。
        
          潜在的接口和神经元：a.大脑b.脊髓c.肌肉d.周围神经
        完成了以上三个步骤，电子皮肤也就实现了“触觉”的传递过程！科学家们还在致力于研究电子皮肤并给它赋予更多的功能，比如柔韧性、耐用性、跟人体组织的相容性、舒适性等，从而为人类提供更多帮助和自然皮肤的功能延伸。
        国内相关研究
        我国在此领域的研究可谓硕果累累，拿到成果的团队不少，如中国科学院大学王中林院士团队的研究了一种基于全纳米纤维摩擦电纳米发电机的透气、可生物降解、抗菌且自供电的电子皮肤。可以实现对全身生理信号和关节运动的实时自动监测。另外该团队还推出了基于聚乳酸的压电和驻极体混合纳米发电机的电子皮肤，该研究非压电介孔聚乳酸（meso-PLA）驻极体型摩擦电纳米发电机（NG）的高输出电压与双层聚乳酸（PLLA）的相对高的电流相结合的纳米发电机（PENG），用于电子皮肤（电子皮肤）（HMI）设备应用。
        
        郑州大学材料科学与工程学院代坤教授团队通过多层热塑性聚氨酯（TPU）/银纳米线（AgNWs）/还原氧化石墨烯（rGO）制造了基于超可拉伸摩擦纳米发电机（STENG）的柔性自供电电子皮肤，可用于能量收集和触觉传感。
        中山大学材料科学与工程学院衣芳教授与清华大学精密仪器系智能微系统实验室王晓峰教授团队基于单电极模式摩擦电纳米发电机（TENG）并结合BiTO和rGO专门制备的热阻电极，开发了一种可以同时实时检测和区分温度和压力，而且还具有良好的柔韧性的触觉电子皮肤，可同时检测和区分温度和压力。
        厦门大学物理科学与技术学院刘向阳教授团队通过再生的丝素蛋白（SF）和聚氨酯之间的强相互作用，对SF进行介观掺杂，合成了坚固而耐热的丝素蛋白复合膜（SFCM）。在微加工后，可得到可拉伸、耐热蚕丝蛋白基电子皮肤，可进行人体温度调节的电子皮肤。
        
        结语：目前，全球有超过10亿残疾人，其中6亿在亚洲，中国的残疾人口达8500万，其中30%是肢体残疾。传统假肢存在巨大的局限性，而“电子皮肤”的出现将成为医学领域的一项重大技术革新，为数百万患者带来肢体“再生”的希望。此外，电子皮肤能在预测脑中风、检测脑部肿瘤、日常测量血压、心率等多个领域发挥作用，当未来技术成熟，或许取代可穿戴设备不是一句空谈。