近日，美國華人學(xué)者鮑哲南帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于塑料的“電子皮膚”，不僅可以區(qū)分握手的輕與重，而且還能把這種感覺傳遞給大腦。如果可以大范圍應(yīng)用，那么很多依靠假肢生活的人或許有一天可以通過它獲得真實(shí)的觸感。
這項(xiàng)研究發(fā)表在10月15日的《科學(xué)》上。文章解釋說，這種新研發(fā)的電子皮膚像“一頁紙那么薄”，可以分為兩層，外層是可以感知壓力的傳感器，由塑料材料加上碳納米管制成；內(nèi)層是由噴墨打印機(jī)印刷出的柔性電子電路，可以把壓力信號改變成電信號并傳遞給大腦。
電子皮膚原理似乎并不復(fù)雜，但是實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易。早在2010年，這項(xiàng)研究就曾經(jīng)在專業(yè)期刊發(fā)表過，也是鮑哲南團(tuán)隊(duì)所做。
神奇的電子皮膚
看似薄薄的一片，實(shí)際上電子皮膚上密布著電子線路。2010年，鮑哲南發(fā)明的電子皮膚就具備了極高的靈敏度，它能夠感受類似小飛蟲的壓力。當(dāng)時(shí)，鮑哲南表示，如果把這種材料運(yùn)用到機(jī)器人身上，輕輕拿起一只雞蛋不捏碎就成為可能。如果運(yùn)用到醫(yī)學(xué)上，可以制成檢測器，為癌癥病人準(zhǔn)確區(qū)分硬的癌細(xì)胞和軟的健康細(xì)胞，從而保障切除癌細(xì)胞手術(shù)的快速準(zhǔn)確。如果用在汽車方向盤上，當(dāng)駕駛?cè)艘蚶Х蜃呱瘢治辗较虮P松動時(shí)，感應(yīng)器就會及時(shí)提醒。
如今，鮑哲南團(tuán)隊(duì)借助了一種名為光遺傳學(xué)的技術(shù)，研究人員改造了實(shí)驗(yàn)鼠的大腦神經(jīng)細(xì)胞，使得人造皮膚能夠向這種改造后的細(xì)胞傳遞電信號，而當(dāng)電子皮膚受到的壓力越大，其電極的接觸范圍越大，從而導(dǎo)電性能越好，感知壓力的變化。下一步，研究人員將研制可以感知溫度、痛覺等感覺的電子皮膚。
雖說名叫“皮膚”，但是它的應(yīng)用范圍不僅僅在人體或假肢，機(jī)器人、手機(jī)和電腦的觸摸式顯示屏、汽車安全和醫(yī)學(xué)上都可以見到電子皮膚的身影。因?yàn)檫@種電子皮膚具備良好的自愈能力，當(dāng)其受到損傷后，幾秒內(nèi)其強(qiáng)度和導(dǎo)電性就恢復(fù)到原來的75%。30分鐘過后，它幾乎恢復(fù)如初。如果應(yīng)用到手機(jī)屏幕上，或許人們就會擁有一個(gè)屏幕摔碎也能神奇恢復(fù)的手機(jī)。
電子皮膚或?qū)⒏淖兾覀兊纳?/div>
雖然距離廣泛應(yīng)用還存在一些距離，但是電子皮膚帶給人類生活的改變可以預(yù)見。在材料科學(xué)家看來，皮膚是人類大腦與這個(gè)世界的接口，它敏感，反應(yīng)速度快，迅速幫助人類感知周邊環(huán)境，對人類認(rèn)識和理解世界起到了巨大的作用。
對比當(dāng)下的智能穿戴設(shè)備，似乎都是冷冰冰只能通過簡單的觸摸完成指令，但是未來，電子皮膚的應(yīng)用會賦予智能穿戴設(shè)備靈活的“生命力”。
10月31日，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一篇文章，闡述了來自韓國的科學(xué)家們通過聚合物和氧化石墨烯混合物，模仿指尖的紋路，研發(fā)了一款電子皮膚。它可以感知一根頭發(fā)的壓力，甚至還可以分清邋遢的胡須和稀疏的胡渣。更神奇的是，若一滴水落在電子皮膚上，它就能迅速識別水的溫度和性質(zhì)，并能判斷出水滴下落的高度。
然而，電子皮膚真正移植于機(jī)體前，還要考慮皮膚內(nèi)部的生理功能與結(jié)構(gòu)問題。電子皮膚與周圍正常皮膚的神經(jīng)、肌肉、淋巴及腺體等能否和諧共生，將感知的觸覺反饋給神經(jīng)細(xì)胞，并接受神經(jīng)精確無誤的指令傳輸，這都將是科學(xué)家們下一步努力的方向。
人造皮膚vs電子皮膚
雖然有些媒體將鮑哲南團(tuán)隊(duì)的研究翻譯為人造皮膚，其實(shí)，首先提到的鮑哲南教授的新研究成果應(yīng)該叫電子皮膚，而不是人造皮膚。事實(shí)上電子皮膚和人造皮膚是兩個(gè)完全不同的概念。
“人造皮膚是指具有再生修復(fù)缺損皮膚的一類人工皮膚替代物。而電子皮膚是一種具有皮膚一樣柔性、纖薄的柔性電子傳感器。” 浙江大學(xué)組織修復(fù)與再生醫(yī)用高分子材料課題組教授馬列告訴記者。簡單來說，前者更接近于人類的皮膚，后者則屬于可延展電子器件的范疇，可以應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。
在人體中，皮膚是最大的器官，也是人體抵抗外界細(xì)菌的第一關(guān)，還可以保持體內(nèi)的水分平衡。然而，一些意外或?qū)е缕つw大面積缺損，比如燒傷。如果沒有皮膚的保護(hù)，重度燒傷者會出現(xiàn)嚴(yán)重脫水，甚至無法抵抗危及生命的細(xì)菌。
以往的經(jīng)驗(yàn)是從傷者的身體其他部位取下健康的皮膚移植到傷處，但如果是大面積燒傷，正常皮膚所剩無幾，那么就只能選擇異種移植，但這樣往往會發(fā)生排斥反應(yīng)。
為了應(yīng)對這種情況，科學(xué)家開始研發(fā)人造皮膚，這是一種由人工合成的人造皮膚。第一塊人造皮膚是由美國科學(xué)家百科和亞諾斯發(fā)明的。這兩位科學(xué)家利用鯊魚軟骨和來自牛皮中的膠原蛋白為原料發(fā)明了一種人造皮膚。
隨著科學(xué)的發(fā)展，干細(xì)胞培育、膠原、殼聚糖等材料也都被應(yīng)用到人造皮膚的領(lǐng)域。“雖然自體皮移植仍然是修復(fù)效果最好的治療手段，然而，由于供皮來源有限的問題，難以滿足臨床的需求。”馬列表示。“基于組織工程與再生醫(yī)學(xué)的人造皮膚，在供給量、質(zhì)量控制等方面都具有一定優(yōu)勢，但目前市售的人造皮膚在恢復(fù)皮膚排汗、感知等功能方面還無法達(dá)到天然皮膚的水平。”
延伸閱讀
電子皮膚研發(fā)史
早在2003年，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用低分子有機(jī)物——并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了電子皮膚感知壓力。
時(shí)隔兩年，該研究團(tuán)隊(duì)又在特殊塑料薄膜中重疊嵌入分別感知壓力和溫度的兩組晶體管，在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器記錄電流起伏，可判斷出日常溫度和每平方厘米300克以上的壓力。此外，這種電子皮膚成本相當(dāng)廉價(jià)，每平方米只需100日元（約1美元）。
2009年底飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室宣布他們已經(jīng)完成一項(xiàng)新的技術(shù)E-skin（電子皮膚），主要用于產(chǎn)品的外觀裝飾。電子皮膚是飛利浦正在進(jìn)行的電子紙研究的一部分，使用這項(xiàng)技術(shù)可以對各種產(chǎn)品覆蓋一層“變色皮膚”。
電子皮膚可以覆蓋在各種設(shè)備上，不需要使用背光光源，它可以接受周圍環(huán)境的光線來實(shí)現(xiàn)顏色適配和節(jié)能，在戶外也能像油漆一樣保持色彩明亮生動。這項(xiàng)新技術(shù)初期將用于手機(jī)、MP3等小型設(shè)備的外觀增強(qiáng)。
而美國加州大學(xué)伯克利分校研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的電子皮膚，可辨別更細(xì)微的壓強(qiáng)，這種由聚合樹脂和敏感橡膠覆蓋鍺硅混合納米線制成的皮膚，可感知50克以下的細(xì)微壓力。
隨著尖端材料科學(xué)研究的深入，石墨烯、碳納米等特殊材料因超輕薄、韌性強(qiáng)、電阻率小等優(yōu)良特性，被科學(xué)家認(rèn)為是電子皮膚的優(yōu)良“基底”。例如，由中國研究人員使用碳納米管傳感器制成的高靈敏度皮膚，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。
英國劍橋大學(xué)的研究人員，也在嘗試將隨意拉伸和變形的電路移植到透明的彈性硅膠上，力圖賦予電子皮膚更多近似人體皮膚的物理特性。按照設(shè)計(jì)，這種電子皮膚可包裹四肢與手臂，有望應(yīng)用于皮膚移植。
更多>相關(guān)資訊
0 條相關(guān)評論
