团队制造可感知触觉的电子皮肤

斯坦福大学的科学家们已经开发出一种柔软且可拉伸的电子皮肤，可以直接与大脑对话，使用一种策略模仿真实皮肤的感官反馈，如果得到改进，可以为数百万拥有假肢的人带来希望。

“我们受到自然系统的启发，并想模仿它，”王维辰说，他的团队在《科学》杂志上发表了他们的成功。“也许有一天我们可以帮助患者不仅恢复运动功能，还可以恢复他们的感觉。”

在所谓的“电子皮肤”为人们带来希望之前，需要更快、更大和更复杂的电路。

但是，在一个里程碑中，该设备在实验室老鼠身上取得了非凡的成功。当研究人员按下老鼠的电子皮肤并向它的大脑发送电子脉冲时，这只动物通过抽动它的腿做出反应。

长期以来，科学家们一直梦想制造出不仅可以恢复运动，还可以提供感知(例如，感应压力、温度和振动)的假肢，以帮助恢复更正常的生活质量。皮肤损伤和截肢会对感知和运动循环造成巨大破坏，因此即使是简单的任务，如感觉或抓住物体也具有挑战性。

波士顿东北大学电气与计算机工程教授RavinderDahiya说：“如果你拿起一杯啤酒，却感觉不到它不冷，那么你就不会尝到正确的味道。”研究使用柔性电子设备开发人造皮肤。

电子皮肤也可用于包裹机器人，使它们能够像人类一样感受感觉。这对于机器人和人类进行物理交互的行业的安全至关重要，例如在制造车间传递工具。

但是触觉是复杂的。人体皮肤有数百万个感受器，当它们被戳、压、挤或烫时，它们就会感觉到。它们通过神经向大脑发送电脉冲来做出反应。大脑通过发回信息来做出反应，告诉肌肉运动。

生物皮肤柔软，可以反复拉伸数十年。

由化学工程教授ZhenanBao领导的斯坦福团队多年来一直致力于电子皮肤设计。但早期的尝试使用了刚性电子设备和30伏电源，这需要10块电池并且不安全。而且它无法在不失去其电气特性的情况下承受连续拉伸。

Bao在一份声明中说：“障碍不在于找到模仿人类触觉非凡感官能力的机制，而是仅使用类似皮肤的材料将它们结合在一起。”

新的电子皮肤具有创新性，因为它使用可感知和传输电信号的可伸缩有机晶体管网络层。当夹在中间时，这些层只有大约25到50微米厚——像一张纸一样薄，类似于皮肤。

它的网络充当传感器，设计用于感测压力、温度、应变和化学物质。他们将这种感官信息转化为电脉冲。

而且电子皮肤仅需5伏的电力即可运行。

为了测试该系统，斯坦福团队将其植入活老鼠体内。当老鼠的电子皮肤被触摸时，一个脉冲通过电线传输到老鼠的大脑——具体来说，是一个叫做体感皮层的区域，它负责处理身体感觉。

老鼠的大脑通过向它的腿发送电信号来做出反应。这是使用一种设备完成的，该设备可以放大信号并将其从大脑传输到肌肉，模拟神经系统中称为突触的连接。

老鼠的腿抽搐了一下。工程博士王说，值得注意的是，它的运动对应于不同程度的压力。和新论文的第一作者。例如，该团队可以通过用力推动电子皮肤来增加腿部的运动，从而提高信号频率和晶体管输出。

如果在人体中进行测试，该设备将不需要植入电线来向大脑发送感官信息。相反，该团队设想在电子皮肤和位于神经旁边的电刺激器之间使用无线通信。

美国矫形和假肢协会的JoeMcTernan表示，此类研究鼓励技术进步，有朝一日可以为失去四肢的人提供实时生物反馈。

“虽然这种皮肤技术相当新，但近年来已经进行了大量研究和开发，重点是为患者创造积极的触觉体验，”他说。

剑桥大学的生物电子学专家AlejandroCarnicer-Lombarte告诉《自然》杂志，斯坦福团队的闭环系统——从感觉到肌肉运动——“非常令人兴奋……在很大程度上证明了概念”。

他说，在人工假肢领域，大多数研究人员倾向于研究单个组件。“按顺序组合这些东西并不简单。”

Dahiya对该团队在构建柔性电子产品并使其发挥作用方面取得的成功表示赞赏。“这就是他们做得很好的地方，”他说。

但他说，仍然缺少一块拼图：创造记忆。与斯坦福大学的电子皮肤不同，人类皮肤了解物体的感觉，然后可以预测它。

还有另一个挑战：信号的传输目前太慢而无法使用。他说，与更传统的硅基晶体管相比，通过该团队的柔性碳基晶体管的信息流缓慢。

达希亚说，这样的延迟“不会让我们得到真正的感受”。“如果没有真正的感觉，那么你就会遇到实际瓶颈。”

在斯坦福大学，下一步是将更多不同的传感器装入电子皮肤，以更接近地复制人手感受到的许多感觉，Wang说。

“我们正在扩大规模，”他说。“它会更先进。

“整个领域都在开发中，”他说。“要实现我们的目标，还需要更多代的发展。”