電子皮膚嶄露頭角

李忠東

觸摸虛擬世界執(zhí)行特定指令

最近，德國(guó)科學(xué)家研制出一種新的電子皮膚。它名叫e-skin，具有柔軟、可彎曲和能穿戴等特點(diǎn)。e-skin是一種可以戴在手上的薄膜，通過與附近的磁鐵相互作用來(lái)操縱物體。由于佩戴者手部的角度不同，電壓會(huì)有所不同。特別設(shè)計(jì)的軟件可以控制每一個(gè)增量角度，使佩戴者的手部動(dòng)作能夠執(zhí)行特定的指令。試驗(yàn)證明，e-skin可用于關(guān)閉虛擬燈的開關(guān)和在虛擬鍵盤上打字，而且成效明顯（圖1）。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，能使用戶沉浸其中。在過去幾年里，VR成為各行各業(yè)的重要工具，許多新技術(shù)的發(fā)展依然圍繞VR技術(shù)開展。眾多VR廠商紛紛搶占VR一體機(jī)市場(chǎng)，導(dǎo)致市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。然而，到目前為止VR并沒有出現(xiàn)太多突破性的技術(shù)，同時(shí)也缺失行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更談不上VR一直強(qiáng)調(diào)的讓人完全“沉浸”的產(chǎn)品，也許觸感是VR沉浸感提升的一大難題。

科學(xué)家表示，無(wú)論是游戲還是學(xué)習(xí)體驗(yàn)，e-skin能對(duì)VR產(chǎn)生顯而易見的影響。雖然它并不是用來(lái)替代現(xiàn)有的VR，但可以與其他兼容VR的技術(shù)混合，以創(chuàng)造一個(gè)更有機(jī)、互動(dòng)感更強(qiáng)的體驗(yàn)。現(xiàn)有的VR設(shè)備使用攝像頭來(lái)檢測(cè)和跟蹤運(yùn)動(dòng)，但目前的分辨率并不高，不足以記錄手指和其他更微妙手勢(shì)的細(xì)微動(dòng)作。隨著e-skin的引入，這種細(xì)微的動(dòng)作不僅可以被檢測(cè)到，還可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互（圖1）。

除了VR，e-skin還可以大大改變?cè)鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的當(dāng)前能力。AR是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

除了上述有趣的應(yīng)用之外，e-skin還可以給人裝一個(gè)假肢，以便更容易地操縱虛擬技術(shù)，甚至還能夠被納入到軟機(jī)器人中。在危險(xiǎn)的情況下或高風(fēng)險(xiǎn)的工作中，它可以被用于虛擬按鈕、控制器或門中，無(wú)需物理接觸就可對(duì)它們進(jìn)行操控。對(duì)于那些處理爆炸物或其他特別危險(xiǎn)的工作的人來(lái)說，這可能會(huì)減少受傷的可能性。

其實(shí)在2015年，德國(guó)科學(xué)家就展示了一種接近報(bào)警傳感器，可以模擬觸摸，只不過系統(tǒng)無(wú)法對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行定向感知。而現(xiàn)在e-skin被植入微型的磁敏裝置后，具備了定向感知能力。然而目前該技術(shù)談不上完美，因?yàn)閑-skin需要依賴磁鐵創(chuàng)造的磁場(chǎng)，然后才能改變環(huán)境的磁場(chǎng)。雖然這個(gè)過程過于麻煩，但是至少為VR開了一扇新的大門。科學(xué)家正朝著更加方便的領(lǐng)域邁進(jìn)，以便通過更細(xì)微的手勢(shì)來(lái)控制e-skin，使其早日進(jìn)入到我們?nèi)粘Ｉ钪小?/p>

顯示健康狀況并與智能手機(jī)配對(duì)

增強(qiáng)或恢復(fù)身體功能的電子裝置，特別是可穿戴式電子設(shè)備，需要輕薄和靈活的材料，以盡量減少對(duì)其連接到身體部位的影響。然而，到目前為止，大多數(shù)設(shè)備如毫米級(jí)玻璃或塑料基板在靈活性方面很有限，而微米級(jí)有機(jī)器件雖具靈活性但在空氣中不夠穩(wěn)定。

過去幾年，科學(xué)家提出了很多柔性電子皮膚貼片概念，可以管理藥物或監(jiān)測(cè)健康狀況。日本東京大學(xué)研究人員最新開發(fā)的版本，堪稱高質(zhì)量的柔性電子皮膚。它的厚度小于兩微米（1微米相當(dāng)于1毫米的千分之一），可以拉伸到原來(lái)長(zhǎng)度的145%，比以前的皮膚顯示器更能抵抗磨損。而且通過層層交替的無(wú)機(jī)和有機(jī)材料，免受氧氣和水蒸氣的影響，使用壽命從幾小時(shí)延長(zhǎng)到現(xiàn)在的數(shù)天。此外，還把高度透明的銦錫氧化物（ITO）電極無(wú)損耗地粘到超薄基板上，將電子皮膚轉(zhuǎn)化成一個(gè)“電子顯示屏”（圖2）。

在使用新的保護(hù)膜和ITO電極的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出穩(wěn)定的聚合物發(fā)光二極管（PLED）和有機(jī)光電探測(cè)器（OPDS）組成的新器件，可發(fā)出紅、綠和藍(lán)三種顏色的光。如果受到電脈沖擊，這些二極管可以打開或關(guān)閉。通過不同排列的PLED，還可以顯示更復(fù)雜的信息。該器件僅3微米厚，薄到可附著在皮膚上，并能足夠靈活地響應(yīng)身體活動(dòng)帶來(lái)的扭曲和褶皺。發(fā)光效率超過以前采用的超薄PLED的6倍，而且減少了熱量的產(chǎn)生和功率消耗。

電子皮膚貼片能顯示簡(jiǎn)單的心電圖波形等動(dòng)態(tài)圖像和血液中的氧濃度或脈沖率，特別適合用于醫(yī)療，在給穿戴者提供健康信息的同時(shí)讓其他人在緊急情況下了解使用者的狀況。如果需要，還可以用紅色和綠色PLED與光電探測(cè)器結(jié)合作為演示血氧狀況的傳感器。此外，它上面的傳感器還可以與智能手機(jī)配對(duì)，用于存儲(chǔ)生物特征數(shù)據(jù)，甚至將其傳輸?shù)皆贫?，成為針?duì)老年人或家庭的非侵入性健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控穿戴者的狀況。根據(jù)計(jì)劃，這種電子皮膚在未來(lái)三年內(nèi)開始量產(chǎn)。

感知外部壓力后傳導(dǎo)觸覺信號(hào)

在控制自己雙手的時(shí)候，人類需要啟動(dòng)手上一大部分運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，采用微妙的平衡力，才能實(shí)現(xiàn)各種各樣的反饋。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，如何改善身體的柔韌性和延展性一直是困擾研究者的難題。實(shí)踐證明，要使得機(jī)器人具有更敏感的觸覺，挑戰(zhàn)的難度極大。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電子工程和計(jì)算機(jī)學(xué)教授阿里·賈維帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)研制出一種厚度不及一張普通紙的電子皮膚，能通過內(nèi)置LED燈對(duì)觸摸和壓力做出反應(yīng)，而且壓力越大，燈也就越亮。這種觸摸即發(fā)光的電子皮膚又稱e-皮膚（圖3）。

電子皮膚的基礎(chǔ)體是一種聚合樹脂制成的膠片，膠片表面有黏性，覆蓋有發(fā)揮信號(hào)感知和傳導(dǎo)作用的一種鍺硅混合納米線，而后在納米線上安裝納米級(jí)傳感器，再覆蓋以一種對(duì)壓力敏感的橡膠。整個(gè)電子元件都是垂直整合的，看似廉價(jià)的塑料塊里面卻內(nèi)置了一套復(fù)雜的系統(tǒng)。電子皮膚的樣本為16×16像素，每個(gè)像素都包含一個(gè)由半導(dǎo)體碳納米管制成的晶體管、一個(gè)有機(jī)體發(fā)光二極管和一個(gè)壓力傳感器。無(wú)論按壓還是彎曲，隨著力度不同，16個(gè)可發(fā)光塊會(huì)發(fā)出藍(lán)色、綠色、紅色或黃色的光。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試表明，它可以在一毫秒內(nèi)迅速做出響應(yīng)，感知從0千帕～15千帕的壓強(qiáng)，像人類敲打鍵盤和托物體時(shí)皮膚感知的壓強(qiáng)均在這一范圍內(nèi)。它幾乎可以和人體皮膚一樣感知不同的外部壓力，以相同速度傳導(dǎo)觸覺信號(hào)。

賈維教授將傳感器放在人的手腕上測(cè)試脈搏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它比人手指的觸覺更加靈敏，能夠探知比一般輕微觸摸還要輕得多的壓力，因此可以在心臟病或中風(fēng)發(fā)作之前感知到征兆。“在將來(lái)，也許有一天會(huì)出現(xiàn)一種‘電子皮膚繃帶，能貼在胳膊上作為健康狀況檢測(cè)器，不間斷地監(jiān)測(cè)血壓和心率。”他展望道，“希望未來(lái)能開發(fā)出一種更先進(jìn)的傳感器皮膚，除了會(huì)對(duì)觸摸和壓力做出反應(yīng)之外，還可以對(duì)溫度和光線也產(chǎn)生敏銳的回饋。”

超級(jí)敏感電子皮膚的出現(xiàn)堪稱機(jī)器人科學(xué)的一大邁進(jìn)，有望給手機(jī)和游戲機(jī)控制器增加一個(gè)更直觀的人機(jī)界面，使人的動(dòng)作與安裝傳感器的設(shè)備實(shí)現(xiàn)更好的互動(dòng)。可應(yīng)用于智能手機(jī)，用作制造像壁紙之類的設(shè)施，兼作觸摸屏顯示器、儀表板的壓層材料，讓駕駛員只需揮揮手就能調(diào)節(jié)控制鍵。

一些移植學(xué)專家十分看好這項(xiàng)技術(shù)，將其譽(yù)為臨床醫(yī)學(xué)的福音。它可以用于改進(jìn)沒有感知力的假肢，使其恢復(fù)感覺，甚至用它來(lái)覆蓋假肢。研究人員正在設(shè)法把電子皮膚改造成為人造皮膚，臨床運(yùn)用于人類皮膚移植術(shù)，并把電子信號(hào)傳遞給大腦。

提高假肢的靈敏度和觸覺感

世界各地的研究團(tuán)隊(duì)都在致力于開發(fā)高靈活性的電子皮膚，旨在通過模仿人體皮膚中各種不同的感覺感受器獲得觸覺，其中電子皮膚的供電系統(tǒng)是個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。但如今英國(guó)格拉斯哥大學(xué)工程學(xué)院的研究人員已找到攻克這一難題的方法，近日成功研發(fā)出一種太陽(yáng)能電子皮膚，通過使用清潔能源展示出其續(xù)航能力強(qiáng)、便攜性好的特征。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)想，將在未來(lái)兩年內(nèi)制造出原型。

研究團(tuán)隊(duì)將一層光伏電池安裝在手背上，通過讓太陽(yáng)照射手背而進(jìn)行光能發(fā)電，與此同時(shí)電池還與電子皮膚里的多個(gè)傳感器相連。這種傳感器用石墨烯柔性材料制成，能讓皮膚佩戴者感覺到如同真正皮膚般的觸覺反饋。石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，性能強(qiáng)，靈活度高。導(dǎo)電性能好，比鋼強(qiáng)數(shù)倍。做成的成品厚度只有普通紙張厚度的百萬(wàn)分之一，并且透明度可以吸收98%左右的光。這些屬性使石墨烯成為收集太陽(yáng)能制成合成電子供電的理想材料，基本上可以淘汰需要電池供電的假肢。

低功耗的智能皮膚每平方厘米需要20納瓦的功率，目前可用的最低質(zhì)量的光伏電池都能滿足這個(gè)要求。雖然皮膚的光伏電池產(chǎn)生的能量還不能存儲(chǔ)，但研究人員表示正在探索將未使用的能源轉(zhuǎn)移到電池中的方法，以備其他需要之時(shí)使用。下一步的計(jì)劃將開發(fā)支持這項(xiàng)研究的相關(guān)配件技術(shù)，從而讓光伏電池能驅(qū)動(dòng)假肢的電機(jī)，創(chuàng)建一個(gè)能完全不用充電就能自主活動(dòng)的假肢。

“這種智能皮膚產(chǎn)生的電力可以用于獲取靈敏度和觸覺感，比人類皮膚好一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖5）。智能假肢已經(jīng)擁有人類肢體的許多力學(xué)性能，如果賦予它們類似人體皮膚的觸覺，將會(huì)使截肢者十分受益?！备窭垢绱髮W(xué)電氣工程師、該項(xiàng)目的主導(dǎo)科學(xué)家拉文德·達(dá)希亞教授指出，“觸覺敏感的電子皮膚也可用于機(jī)器人，以提高其性能，更好地了解所觸摸的東西，并幫助它們?cè)谂c人類互動(dòng)時(shí)檢測(cè)潛在的危險(xiǎn)?！?/p>

使假肢感受并傳遞疼痛的感覺

疼痛當(dāng)然令人不愉快，卻是一種基本的保護(hù)性觸覺。對(duì)于功能齊全的肢體來(lái)說，感知疼痛能夠幫助躲避危險(xiǎn)保護(hù)身體。時(shí)至今日，假肢設(shè)計(jì)和控制機(jī)制的不斷進(jìn)步極大地幫助截肢者恢復(fù)失去的功能，但是通常缺乏意義重大的觸覺反饋或者說直覺。讓現(xiàn)代假肢設(shè)計(jì)更人性化迫在眉睫，尤其是在融入疼痛感受能力方面更是必不可少。

由美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程、電氣和計(jì)算機(jī)工程、神經(jīng)病學(xué)系和新加坡神經(jīng)技術(shù)研究所成員組成的研究團(tuán)隊(duì)，通過研究皮膚自然的感知力，借鑒人類皮膚觸覺感受器的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出一種新型的電子皮膚，能夠使假肢越來(lái)越逼真地感受并傳遞疼痛的感覺。這是一種由橡膠和織物打造的薄層，覆蓋假手的指尖。當(dāng)它與物體接觸時(shí)，產(chǎn)生的微小電脈沖就會(huì)刺激假肢中的神經(jīng)來(lái)模擬一種真實(shí)的觸感。由于采用了壓阻和導(dǎo)電織物制成的大量感應(yīng)層，而不是感應(yīng)和測(cè)量壓力的不同類型細(xì)胞，因此產(chǎn)生出來(lái)的電脈沖能夠像真實(shí)皮膚一樣以不同的方式對(duì)壓力做出反應(yīng)，感受和傳達(dá)痛感和壓感。使截肢患者體驗(yàn)到假肢曾經(jīng)缺少的防護(hù)性觸感，幫助自己避免受到傷害。

為了驗(yàn)證電子皮膚的效果，研究團(tuán)隊(duì)在一位截肢患者身上進(jìn)行了測(cè)試。他們創(chuàng)建了一個(gè)“神經(jīng)形態(tài)模型”，模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的觸覺和痛覺感受器，使電子皮膚能夠像皮膚中的感受器一樣對(duì)感覺進(jìn)行電子編碼。通過腦電圖跟蹤大腦活動(dòng)，確定受試者能夠在他的假手中感知這些感覺。

研究人員使用一種稱為“經(jīng)皮電神經(jīng)刺激”的無(wú)創(chuàng)方法，將電子皮膚的傳感器通過放置在皮膚上的電極連接到測(cè)試者的假肢上，而且與真正的神經(jīng)傳遞信號(hào)的方式相似。當(dāng)受試者佩戴著這種電子皮膚抓取不同的物體時(shí)，研究人員引進(jìn)了自動(dòng)的疼痛反應(yīng)，也就是說手在沒有接收到大腦指令之前就會(huì)扔掉那些太鋒利的物體。截肢患者在描述自己參與測(cè)試的感覺時(shí)激動(dòng)地說：“這么多年過去了，我又感覺到了自己的手，就好像一個(gè)空殼再次充滿了生命?！?/p>

測(cè)試結(jié)果表明，根據(jù)電子裝置傳遞的不同脈沖模式，電子皮膚可以傳遞一系列的感知，從細(xì)微的觸摸到對(duì)截肢者的傷害所引起的疼痛。受試者和假肢能夠在接觸尖銳物體時(shí)對(duì)疼痛和接觸圓形物體時(shí)對(duì)非疼痛產(chǎn)生自然的反射反應(yīng)，就是最有說服力的證明。通過刺激手臂的周圍神經(jīng)，將信息傳遞給截肢者，使所謂的幻肢復(fù)活，讓它更像人手。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃未來(lái)將研發(fā)一種裝置，讓人們獲得一系列更復(fù)雜的觸感。

“借助這種觸覺反饋，我們能夠?yàn)榻刂咛峁┮环N真實(shí)的感覺。這真的是非常重要的，因?yàn)樗屛覀兏咏诖蛟斐鲆环N真實(shí)的上肢假體。當(dāng)然也不僅僅是疼痛，還有質(zhì)地和溫度等觸感，未來(lái)我們將探索如何把更多的感覺反饋給截肢者?！奔s翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授、生物醫(yī)學(xué)儀器和神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室主任尼蒂斯·塔科爾指出，“這項(xiàng)電子皮膚技術(shù)還能夠使機(jī)器人系統(tǒng)更人性化，也可以擴(kuò)展或延伸到宇航員的手套和宇航服。”