電子皮膚“黑科技”

如今可能人人都聽過“黑科技”這個詞。在知乎上有這樣一個問題：你所知道的最“黑”的“黑科技”是什么？

有人認(rèn)為是能在火星移民時派上用場的“人造光合作用”技術(shù);有人覺得應(yīng)該給受鼻涕蟲啟發(fā)的新型器官強效止血材料投上一票;有人按字面意思答題，認(rèn)為一種能吸收99.96%光線的新材料可以說是“黑”到失蹤了;也有人提到，一種仿動物皮膚的柔韌、可拉伸、可自愈電子產(chǎn)品——電子皮膚應(yīng)該擁有一席之地。

電子皮膚，具體能做什么？

電子皮膚有這樣兩類意義：第一，在人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面，它可以協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，幫助配有假肢的群體恢復(fù)對外界的真實感知。這一點吻合人造皮膚領(lǐng)域的材料大師、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南投身電子皮膚領(lǐng)域時的初心——讓人類更加人性化（Make human more human）。第二，電子皮膚能應(yīng)用于機器人，提升機器人的柔韌性和延展性，甚至讓機器人像人類一樣在面對疼痛時做出反應(yīng)。

電子皮膚“進化史”

最 近，學(xué)術(shù)期刊《自熱》的“科技特寫”（Technology Feature）專欄中，一篇題為《Electronicskin： from flexibility to a sense of touch》（《電子皮膚：從柔韌性到觸覺》）的文章復(fù)盤了電子皮膚的發(fā)展及蝶變史。

其實，電子皮膚的研究最早源于電子閱讀器和曲面電視中的組件。研究這些組件的是致力于柔性碳基分子或聚合物導(dǎo)電研究的科學(xué)團隊。

概括來講，有機電子學(xué)領(lǐng)域研究人員旨在研究用于顯示和照明的有機發(fā)光二極管、用于顯示底板和大面積電子器件的晶體管以及用于太陽能收集的光伏電池。在某種程度上，以上設(shè)備都將受益于其形式的靈活性。如何實現(xiàn)所謂“形式的靈活性”，研究人員將目光放在了我們今天常說的可穿戴電子產(chǎn)品上。

研究人員最早在2004年成功實踐了這一構(gòu)想。當(dāng)時，日本東京大學(xué)工程學(xué)院電氣與電子工程系教授TakaoSomeya及其團隊發(fā)表了一項研究成果。論文顯示，該團隊開發(fā)出一種8厘米×8厘米的柔性機器人皮膚貼片，由多層高性能、壓力感應(yīng)的聚酰亞胺塑料、有機半導(dǎo)體并五苯和幾層金、銅電極組成，內(nèi)置一個微型壓力傳感器陣列。這種電子皮膚即使被包裹在一個4毫米厚的圓柱形棒上，也能保證電流不間斷，就像一個柔韌的電路板。

Takao Someya表示：“我們采用了一種主動矩陣，做出了開發(fā)柔性顯示器的驅(qū)動電路，它賦予了機器人一種從未有過的東西——觸覺，即對壓力做出反應(yīng)的能力?！贝文辏琓akao Someya團隊通過將相對堅硬的聚酰亞胺聚合物紡成線，然后再紡成網(wǎng)，使得電子皮膚擁有了彈性和舒適度。

將電子皮膚用于抗疫

說起抗擊新冠肺炎疫情，你可能很難想到，材料科學(xué)家也沖在了最前線。

1 995年，美國材料科學(xué)家、物理化學(xué)家John A. Rogers獲得了麻省理工學(xué)院（MIT）物理化學(xué)博士學(xué)位。1997年，他加入貝爾實驗室凝聚態(tài)物理研究部門，隨后進入美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校成為工程學(xué)系創(chuàng)始人。

如今，作為美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科教授，John A.Rogers領(lǐng)導(dǎo)著一個關(guān)注開發(fā)柔軟、有彈性、類皮膚材料的研究團隊。

2019年11月，John A.Rogers團隊發(fā)表研究成果，展示了一種可進行藍牙連接的聚合物電路設(shè)備。將這一設(shè)備放在喉嚨底部凹陷處，就可以實現(xiàn)對說話、心率等生命體征的實時監(jiān)控。除此之外，設(shè)備還能為患有中風(fēng)的人群提供言語治療方面的輔助。在2020年新冠肺炎疫情肆虐期間，這種電子皮膚經(jīng)定制設(shè)計后，被應(yīng)用于美國芝加哥市的病毒早篩、病情監(jiān)測等工作。

實際上，John A.Rogers是世界上最多產(chǎn)的可穿戴皮膚電子研究者之一。西北大學(xué)官網(wǎng)顯示，他曾發(fā)表過750余篇論文，發(fā)明100多項專利。John A. Rogers團隊的電子皮膚研究已在全球各地得到了應(yīng)用，例如監(jiān)測早產(chǎn)兒的生命體征和運動員的水合作用，使得機器人獲得更加細微、類似人類的觸感。

研發(fā)與突破

目前，可穿戴設(shè)備的研發(fā)存在兩類挑戰(zhàn)：一是工程師如何解決化學(xué)問題，二是化學(xué)家如何解決工程問題。這一觀點來自于英國劍橋大學(xué)生物電子學(xué)教授 George Malliaras。在他看來，電極和人之間保持接觸并不容易，因為皮膚會隨著人的移動受到拉伸，出現(xiàn)褶皺和彎曲。要固定電極，其實可以用到凝膠，但由于凝膠是水溶液，隨著時間的推移會慢慢變干，因此其穩(wěn)定性存在較大的問題。

為此，George Malliaras團隊想到了另一種可能的溶液——離子液體。原因就在于，離子液體由室溫下呈液態(tài)的鹽組成，蒸發(fā)速度慢，且導(dǎo)電性能好。

2014年，George Malliaras團隊將一種名為1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸酯的離子液體與一種聚合物結(jié)合，創(chuàng)造了一種能夠容納金電極和導(dǎo)電聚合物的凝膠。這一裝置的電性能可維持3天。

雖然這一研究成果已經(jīng)取得突破，但值得一提的是，東京大學(xué)Takao Someya團隊指出，George Malliaras團隊設(shè)計的這類設(shè)備會擋住汗液，阻礙空氣交換，佩戴時會讓人感到不適，同時它也很脆弱，不能長期使用。為此，2017年，Takao Someya團隊又提出了一種多孔傳感器的想法。這種傳感器使用的是厚度僅300～500納米的金纖維網(wǎng)，包括一個類似意大利面形狀的聚乙烯醇（PVA）網(wǎng)狀物及金電路圖案。這種電子皮膚柔韌、透氣，使用者甚至毫無佩戴感。

去年11月，在騰訊科學(xué)WE大會上，鮑哲南在演講中談到了實現(xiàn)人造皮膚的三大挑戰(zhàn)：第一，所用的電子材料必須做成像皮膚一樣柔軟，像皮膚一樣可拉伸，甚至可自修復(fù)、可生物降解;第二，人造皮膚需要真正感知到壓力、溫度，并可以細膩地感受到不同的物體;第三，人造皮膚的信號需要能夠和人體結(jié)合起來。

不同于上述幾位該領(lǐng)域“大咖”的研究思路，鮑哲南的團隊并沒有從傳感器入手，再將傳感器與皮膚兼容，他們采用了分子方法，從一開始就考慮到電子皮膚的靈活性，設(shè)計有機聚合物和電子元件。

正如鮑哲南所言：“我們從分子水平設(shè)計它們，使得類似皮膚的特性成為新材料的固有特性。”比如，該團隊曾開發(fā)了一種可以感知汗液中激素變化（特別是皮質(zhì)醇水平變化，皮質(zhì)醇是衡量壓力大小的重要指標(biāo)，可用來幫助理解焦慮和抑郁）的原型。同時，這一原型也可用來制造植入人體的有機電子設(shè)備，以幫助修復(fù)受損的神經(jīng)。

具體來講，鮑哲南團隊曾用一系列具有不同導(dǎo)電性能和生物降解性的聚合物來制造電子皮膚。

早在2010年，他們就用彈性聚合物PDMS開發(fā)了一種檢測壓力微小變化的皮膚，用以模擬觸覺。該團隊將這一技術(shù)應(yīng)用到一種特殊的手套中。人們戴上手套后，輕輕按壓覆盆子，并不會將其壓碎。

此后，鮑哲南進一步發(fā)展了這一技術(shù)：讓傳感器在體內(nèi)工作。2019年，鮑哲南團隊介紹了一種可降解的無線傳感器，這種傳感器可以包裹在血管上，在手術(shù)后持續(xù)監(jiān)測血流。為了讀出信號（血液脈沖穿過動脈時電容的變化），團隊在皮膚附近安裝了一個外部線圈，將無線電信號發(fā)送到遠程接收器中。此后，團隊的目標(biāo)則是讓這些傳感器覆蓋身體的更多部位，同時保持細胞分辨率。

上述研究成果可能代表了電子皮膚領(lǐng)域的最前沿的成就，但全球的科學(xué)家在這一領(lǐng)域的努力絕不僅限于此。監(jiān)測囊性纖維化患者的汗液生物標(biāo)記物、檢查皮膚疾病患者的皮膚水合情況、評估黑色素瘤患者的紫外線暴露情況、跟蹤皮膚和假肢之間壓力和溫度的情況等，都是電子皮膚已經(jīng)實現(xiàn)的突破。

值得注意的是，即便電子皮膚近年來發(fā)展迅速，但擺在科學(xué)家眼前的仍是重大的化學(xué)和工程挑戰(zhàn)。漫漫科研路，道阻且長，我們期待未來出現(xiàn)更多電子皮膚領(lǐng)域突破性的成果。