電子皮膚：用觸摸感知改變世界

文/王軒

皮膚是我們?nèi)祟?lèi)重要的感知器官。通過(guò)皮膚，我們能夠清晰的感受冬日的寒風(fēng)、夏日的酷暑、清風(fēng)的吹拂甚至是偶爾飄落而至的花瓣。人類(lèi)的皮膚，通過(guò)觸覺(jué)感知外界的環(huán)境，而觸覺(jué)是多種感知的集合，包括接觸的位置、接觸力的方向和大小、接觸物體的溫度以及接觸物體表面的紋理和硬度等。皮膚通過(guò)感知這些信息并通過(guò)神經(jīng)傳至大腦，構(gòu)成了人類(lèi)的皮膚感知功能，實(shí)現(xiàn)了人們通過(guò)皮膚對(duì)外界的感知。

而電子皮膚則具有與人體皮膚相似的功能，利用特殊材料制造的電子皮膚，像人類(lèi)的皮膚一樣柔軟，并且能夠像人類(lèi)的皮膚一樣感知壓力的大小。隨著電子皮膚研究的不斷深入，電子皮膚的感知精度不斷提升，響應(yīng)時(shí)間僅為幾毫秒，“一點(diǎn)都不比人類(lèi)的皮膚差”。電子皮膚能夠應(yīng)用的范圍非常廣泛，它可以安裝在機(jī)器人手臂上，使得機(jī)器人具備像人類(lèi)一樣的觸覺(jué)感知能力；可以作為可穿戴設(shè)備應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，使人們有逼真的沉浸感；還可以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，作為燒傷、皮膚病等患者皮膚功能的替代品。本文旨在介紹電子皮膚在世界范圍內(nèi)研究的最新成果，并對(duì)電子皮膚的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

電子皮膚的起源——觸覺(jué)傳感器與MEMS技術(shù)

電子皮膚的起源可以追溯至2003年，日本東京大學(xué)的科學(xué)家們利用并五苯分子這種低分子有機(jī)材料制造了一塊薄膜，并在薄膜的表面上密密麻麻地布置了壓力傳感器，從而完成了具備壓力感知能力的電子皮膚的原型。當(dāng)然真正的皮膚并不止具備壓力感知能力，像人類(lèi)的皮膚能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種外界環(huán)境刺激的感知和體驗(yàn)。通過(guò)表面細(xì)胞的末梢神經(jīng)感受外界的刺激，進(jìn)而將刺激信號(hào)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞到大腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界情況的判斷。一般情況下，我們將這種多種感知復(fù)合的感覺(jué)稱(chēng)之為觸覺(jué)。觸覺(jué)不是一種單一的感覺(jué)，而是多種感覺(jué)的復(fù)合體，包括力覺(jué)、接近覺(jué)、熱覺(jué)等等，可以說(shuō)，電子皮膚就是通過(guò)在特殊的材料制成的薄膜上密布搭載觸覺(jué)傳感器，從而替代人類(lèi)皮膚實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)感知的電子設(shè)備。

電子皮膚可用于監(jiān)控各項(xiàng)健康指數(shù)

我們知道，人類(lèi)皮膚的表面密布著表皮細(xì)胞，這些細(xì)胞就是我們?nèi)祟?lèi)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)感知的“傳感器”。電子皮膚為了做到像人類(lèi)的皮膚一樣，就需要把傳感器做到足夠小，這就不得不提一下MEMS技術(shù)。MEMS，即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是一種獨(dú)立的智能系統(tǒng)，利用MEMS技術(shù)制造的傳感器，其尺寸在微米甚至納米級(jí)別，為制造超小型觸覺(jué)傳感器、并在薄膜上進(jìn)行密布奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，美國(guó)、德國(guó)、日本和我國(guó)的研究人員對(duì)電子皮膚進(jìn)行了深入的研究，并研發(fā)出了各自特點(diǎn)的電子皮膚，并在與機(jī)器人、醫(yī)療、人工智能及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的交互中表現(xiàn)出了良好的互動(dòng)性。

電子皮膚在機(jī)器人上的應(yīng)用

機(jī)器人是科幻影視作品中永恒的題材，人們常?；孟胫軌蚺c機(jī)器人交流和共處。如果機(jī)器人沒(méi)有感知外界的皮膚，試想當(dāng)人們與機(jī)器人握手的時(shí)候，我們握到的可能不是一只友好的手，而是一只力量強(qiáng)大的鋼鉗。沒(méi)有手部皮膚的感知，機(jī)器人就不知道接觸物體的柔軟、力度等信息，也無(wú)法做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而電子皮膚使得機(jī)器人能夠觸覺(jué)感知周?chē)h(huán)境，清楚地分辨握著一只手和握著一個(gè)零件的區(qū)別，電子皮膚能夠幫助機(jī)器人的智能化進(jìn)程邁出巨大的一步。

目前，美國(guó)斯坦福大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)將電子皮膚安裝到了機(jī)器人的手臂上，并利用電子皮膚上密布的傳感器收集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的信息，來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的情況。由于電子皮膚很薄，搭載皮膚的機(jī)器人手臂仍然具有很高的靈活性，在手臂接觸到物體的時(shí)候，能夠準(zhǔn)確地反饋物體的硬度、接觸的位置和力的大小，從而調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)決策，完成主動(dòng)躲避障礙物、改變輸出力大小等一系列的操作。現(xiàn)階段，視覺(jué)作為機(jī)器人的“眼睛”功能已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，皮膚作為感受外界信息的主要方式近幾年也發(fā)展迅速，通過(guò)視覺(jué)和電子皮膚的聯(lián)合使用，機(jī)器人的智能化和自主化將進(jìn)一步提升。

電子皮膚在醫(yī)療和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用

電子皮膚的發(fā)展和應(yīng)用不僅使得機(jī)器人更像人，也使得人們比過(guò)去更加接近虛擬世界。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)和可穿戴設(shè)備的發(fā)展，使得人們可以在虛擬世界中遨游，可以觸碰和操作虛擬物體，與虛擬世界的交互再也不是夢(mèng)想。而電子皮膚的應(yīng)用，則能夠最大限度地還原觸覺(jué)行為，不僅使得人們能夠“真實(shí)地觸摸”到虛擬物體，甚至能夠在虛擬世界中還原微風(fēng)、水流和雨滴帶給人們的感覺(jué)，這將大大提升沉浸感和真實(shí)感，為今后VR游戲及虛擬裝配等產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展前景。

電子皮膚的出現(xiàn)，也為現(xiàn)代醫(yī)療對(duì)皮膚病、燒傷等需要進(jìn)行植皮操作的治療方法帶來(lái)了福音。普通的植皮手術(shù)需要考慮病患的排異反應(yīng)，因此植皮的主要來(lái)源是患者其他部位的皮膚，一方面會(huì)給病患帶來(lái)新的創(chuàng)傷，另一方面導(dǎo)致大面積植皮無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而電子皮膚的出現(xiàn)能夠極大地緩解皮膚來(lái)源問(wèn)題，使得醫(yī)治大面積燒傷和皮膚病成為可能。同時(shí)，作為電子設(shè)備能夠有效地規(guī)避生物體的排斥反應(yīng)，成為未來(lái)解決皮膚病患的新途徑。

此外，電子皮膚可以作為一種人體的身體健康監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)揮作用。電子皮膚與人體直接接觸，能夠通過(guò)搭載各類(lèi)傳感器直接測(cè)量病患的身體數(shù)據(jù)，例如心跳、體溫、血糖、血壓、出汗量等實(shí)時(shí)情況，監(jiān)測(cè)病患的身體狀況，掌控病患治療流程，甚至可以為病患留下操作界面，讓每個(gè)人成為自己的健康管理管家。

通過(guò)電子皮膚監(jiān)測(cè)人體的生理信號(hào)已經(jīng)處于科研成果向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的階段，摩托羅拉公司申請(qǐng)過(guò)一項(xiàng)關(guān)于電子皮膚紋身的專(zhuān)利，通過(guò)將電子皮膚放置在人體的喉部，將喉嚨震動(dòng)的頻率和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)藍(lán)牙或者NFC的方式發(fā)送給手機(jī)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為聲音控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)的操控。而東京大學(xué)研制的帶有一個(gè)顯示屏的電子皮膚，除了能夠?qū)θ梭w的弱電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)之外，還能夠?qū)?shù)據(jù)處理之后進(jìn)行顯示，這類(lèi)電子皮膚很薄且重量輕，具有較好的柔韌性，有望在以后替代傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備。

電子皮膚的研究展望

電子皮膚的研究，為各行各業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展前景，隨著電子皮膚的普及，將引發(fā)深刻的社會(huì)變革。目前大部分的電子皮膚還處在基礎(chǔ)研究和樣品試制階段，要達(dá)到我們的美好設(shè)想尚需時(shí)日，有許多的科學(xué)問(wèn)題還等待著科學(xué)家們?nèi)ソ鉀Q和探索。例如完全地還原人類(lèi)的觸覺(jué)感知，現(xiàn)在的電子皮膚大多只能感受垂直于皮膚方向上的壓力，而無(wú)法完全再現(xiàn)觸覺(jué)感知功能，不過(guò)隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度、接觸、摩擦和紋理等感知技術(shù)已逐步實(shí)現(xiàn)，具備觸覺(jué)完全感知功能的電子皮膚并不遙遠(yuǎn)。

另外，電子皮膚的柔性問(wèn)題也是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，由于電子皮膚是由電子器件組成，難免給人生硬的印象，通過(guò)改良襯底材料，可以使得電子皮膚表現(xiàn)出極佳的柔軟性和延展性，為大面積覆蓋使用奠定基礎(chǔ)。斯坦福大學(xué)的華裔教授鮑哲南領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種高靈敏度柔性塑料薄膜材料，能夠測(cè)量出蝴蝶停在上面的壓力，且測(cè)量的反應(yīng)時(shí)間極快，不超過(guò)幾毫秒。正是這些科學(xué)家們的研究工作，使得電子皮膚的性能不斷提升，離我們的日常生活應(yīng)用越來(lái)越近。

當(dāng)然除此之外，電子皮膚的應(yīng)用也仍存在諸多問(wèn)題，例如如何將電子皮膚與人類(lèi)的神經(jīng)和細(xì)胞組織相連，如何將感知的觸覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為人類(lèi)細(xì)胞識(shí)別的神經(jīng)信號(hào)，如何解決電子皮膚長(zhǎng)期使用時(shí)器件的壽命問(wèn)題等。但是毫無(wú)疑問(wèn)的是，電子皮膚研究所取得的每一點(diǎn)進(jìn)展，都是人工智能領(lǐng)域的重要里程碑。在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等感覺(jué)已經(jīng)能夠較為完善再現(xiàn)的今天，觸覺(jué)的再現(xiàn)一直存在空檔，電子皮膚的發(fā)展為觸覺(jué)感知的再現(xiàn)帶來(lái)了希望，而且是以最接近人體觸覺(jué)感知的方式再現(xiàn)，電子皮膚的發(fā)展到底將為我們的生活帶來(lái)如何的變革，就讓我們拭目以待。