智能仿生生態(tài)大發(fā)展， 柔性電子皮膚成多場景應用寵兒

徐迅捷

兩年前，擅長制造噱頭的“機器人索菲婭”被授予沙特公民身份，機器人能否以公民身份進入人類的生活一時成為熱點話題。而近日熱播國產電視劇《你好，安怡》中芯機人融入家庭的場景將這類議題再次引爆。

如今人工智能的發(fā)展和工業(yè)水平的提升，讓我們覺得機器人融入人類的日常生活不再遙遠，仿生技術也隨著這類題材熱度提升越來越受公眾關注。

絡繹學術 Online 直播第二期，我們邀請了香港城市大學生物醫(yī)學工程系助理教授、博導于欣格為大家分享：現(xiàn)實版“頭號玩家”，電子皮膚觸覺感知和未來 VR 技術。

何為柔性電子皮膚

柔性電子皮膚是一種新型仿人類皮膚的柔性傳感器系統(tǒng)。通過電子裝置仿生人類皮膚，從而使得這類柔性傳感系統(tǒng)具有了人類皮膚的特點和功能。

柔性電子皮膚通常采用PDMS（聚二甲基硅氧烷）、硅膠等本身具有柔性的材料作為柔性襯底，能夠實現(xiàn)宏觀結構上的柔性。

3 毫米柔性電子皮膚技術解構

2019 年，于欣格團隊關于電子皮膚的研究發(fā)表在《自然》雜志上。3 毫米柔性電子皮膚的研究進展有條不紊地進行了下去。

在分享中，于欣格用電影《頭號玩家》的例子生動地展現(xiàn)了這一研究的體驗感。

薩曼莎用手滑過韋德肩膀時，玩家感覺到的真實觸感就需要器件提供反饋。要想清晰獲取手滑動皮膚的感覺，技術上就對器件的密度要求更高。

目前，他們的團隊將單個反饋單元做到毫米量級，幾乎達到了人體皮下觸覺反饋器的分布極限，也就是達到了人體分辨的極限，因而反饋的觸感也更真實自然。

這 3 毫米的柔性電子皮膚內有一個致動器（actuators），這是互相連結的“按鈕”。每個致動器都接通射頻天線，以無線方式傳遞信息和供電。致動器發(fā)出的振動頻率以毫米計，且只需 1.75 毫瓦的功率便能誘發(fā)觸感，僅需市面現(xiàn)有致動器所需功率的 2%。配套的軟件一旦收到指令，就會迅速將訊息傳遞到致動器，使用者就可以感到觸感。

在外在形態(tài)上，目前用在皮膚 VR 上的 NFC 通信工作距離可以延展到近 1 米。于欣格指出，產品的外在形態(tài)可以有兩種解決方案：一種是類皮膚形態(tài)，可以舒適地貼附在身體各個部位，低模量的軟硅膠可用于封裝和提供與皮膚間的粘附力，不借助膠帶或綁帶就能自由穿戴在身上;另一種是通過織物形式做成我們日常生活中穿戴的輕薄外衣，隨時穿戴在身上。

柔性電子皮膚的應用場景

在應用場景上，除了與現(xiàn)有的 VR 游戲結合，游戲、運動類，社交媒體，遠程觸摸和培訓等應用場景也是柔性電子皮膚的可應用場景。而與醫(yī)療相結合的應用場景更成為生命科學領域的新方向，其中醫(yī)療檢測、健康監(jiān)測和遠程手術這三類場景的拓展應用頗具代表性。

醫(yī)療檢測

以目前的新冠檢測為例，于欣格認為如果將皮膚 VR 技術應用到新冠病毒檢測環(huán)節(jié)，將能大幅保障醫(yī)護人員檢測過程的高效性和安全性?，F(xiàn)有的采樣機器人或采樣設備，雖然能在一定程度上保證醫(yī)患隔離，但在精準度及體驗感上還有很大差距。

如果醫(yī)生通過遠程控制搭載了皮膚 VR 系統(tǒng)的采樣機器人，完成遠程篩查采樣，那么采樣過程中 VR 系統(tǒng)就會對力度、精準度進行實時反饋，一方面可以提升醫(yī)護人員的檢測效率，減少其暴露風險;另一方面也可減少被檢測者的不適感。

健康監(jiān)測

通過皮膚 VR 可用于收集人體的健康生理信號的變化，通過采樣處理可以及時分析出佩戴者的健康狀況以及潛在疾病發(fā)作危險，進而通過如聲音、壓力等物理刺激通過皮膚電子驅動器把有用的信息施加給人體，實現(xiàn)人機交互在虛擬和現(xiàn)實場景中的完美融合。

比如，在心腦血管疾病管理上，做到高精準監(jiān)測和高準確度傳感就能讓糖尿病人的健康管理水平得到提升。

遠程手術

皮膚 VR 的反饋機制也為醫(yī)生實現(xiàn)遠程實時手術提供了技術支持。醫(yī)生在手術的過程中可以根據(jù)及時反饋來調整力度。皮膚 VR 還可幫助殘疾患者通過佩戴義肢恢復受傷部位的感知?；谌嵝詡鞲泻头答佊谝惑w的皮膚 VR 系統(tǒng)與醫(yī)療領域的結合還有很多的可能。

除此自外，柔性電子皮膚在醫(yī)療美容、皮膚修復等健康領域的應用也獲得了肯定。比如，通過微電流脈沖打開細胞間隙幫助美容液導入深層皮膚達成無創(chuàng)修復皮膚。

值得關注的柔性電子皮膚企業(yè)

如此多場景應用讓柔性電子皮膚的商業(yè)價值獲得了更多關注，與之相關的科技企業(yè)得以萌生、成長。

VivaLNK

第一款產品，藍牙智能測溫貼—— Fever Scout，采用柔性電子皮膚設計，通過生物相容性、防吞咽等各項國際測試，精度達到醫(yī)療級水準，并已經通過了 FDA（美國食品藥品管理局）、CE Medical（歐盟醫(yī)療認證）、TGA（澳大利亞醫(yī)療用品法認證 ） 在內的多個國內外標準認證。

以 Fever Scout 為例，雖然產品看似簡單，但設計中卻包含了很多細節(jié)與創(chuàng)新。比如在硬件設計方面，需要讓柔性電路配合高精度傳感器，并要做到微型化，還要能夠防水和確保安全;考慮到使用時間，特地采用了低功耗設計，充滿電一次可滿負荷工作 1 個月。產品配合 App 和平臺系統(tǒng)使用，用戶將貼片貼在身上，便能觀察到當前體溫，精準度達到到正負 0.1 攝氏度;同時還可持續(xù)追蹤體溫變化，實現(xiàn)溫度實時預警。通過醫(yī)療云平臺，在個人、家庭、機構間實現(xiàn)信息共享。

Vital Connect

VitalConnect 成立于 2011 年，致力于研發(fā)新一代生物傳感器。目前，公司旗下的主要產品是一款可穿戴式生命體征監(jiān)測設備— VitalPatch。該設備大小和形狀都類似創(chuàng)口貼，采用一次性鋅空氣電池，續(xù)航能力達96小時。VitalPatch 可以監(jiān)測用戶的單導聯(lián)心電圖（ECG） 、心率、心率變異性、呼吸速率、皮膚溫度、姿勢、步數(shù)和跌倒檢測這八項數(shù)據(jù)。此外，該設備還可與 VitalConnect 的云分析軟件聯(lián)接，患者可以設置全天候的監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)及時發(fā)送給醫(yī)護人員。

目前，VitalPatch 已經通過了 FDA 的審批，獲得了歐洲 CE 標識和 ISO13485 認證。該設備現(xiàn)在已經為很多美國醫(yī)院使用，并表現(xiàn)出了高度的患者滿意度和經濟效益。

iRhythm

iRhythm 公司成立于 2006 年，總部在加州的舊金山。2016 年上市的 iRhythm 于上市前就獲得了保險公司 （ Aetna ） 的支持。公司的拳頭產品是用于心律失?？焖贆z測的 Zio@Patch，目前重量最輕、體積最小、結果最準確，比 Holter 更好用，可連續(xù)監(jiān)測 14 天，記錄 2 萬分鐘的檢測數(shù)據(jù)，睡覺、運動、甚至洗澡的時候都可以戴著。公司致力于重新定義心律失常在臨床上通過基于云的數(shù)據(jù)分析和機器學習能力相結合可穿戴技術，生物傳感診斷的方式。

Rotex

一家平臺級柔性電子產品解決方案高科技公司。Rotex 自主研發(fā)的電子紋身 / 皮膚可廣泛應用于人機交互，醫(yī)療健康，消費電子和工業(yè)等多個領域;公司擁有核心研發(fā)能力，全自主知識產權，多項專利;自有生產線和成熟的交付履行團隊。

Rotex 研制的柔性生物電子材料，是柔性電子領域的前沿研究方向，即以柔性材料為基礎，結合微納米加工與集成技術，生產出的楊氏模量與人體皮膚、肌肉等組織相當、厚度為納米級的柔性電子器件，此類器件的“柔性”不是僅能做有限制彎折，而是可以承受各種自由形變甚至拉伸，能與人體高度融合。目前，這一技術可在透皮給藥、可穿戴設備、生物傳感器及電子植入物等應用中使用。其中，貼合于人體表面的柔性生物電子俗稱為“電子皮膚” 或“電子表皮”。

Sibel Health

開發(fā)和測試無線及電子皮膚，以監(jiān)視生命體征，尤其在對生命體征脆弱的患者進行監(jiān)測上有著重大意義。

目前，柔性電子上游產業(yè)的核心制造、檢測設備、材料等領域存在一定的國際競爭壓力。國內外政府業(yè)都在柔性電子產業(yè)發(fā)展上加大了支持力度，如美國 FDCASU 計劃、英國“拋石機” 計劃、歐盟 SHIFT 計劃。中國也將柔性技術上升為了電子信息崛起戰(zhàn)略的一部分。

政策支持和技術創(chuàng)新的雙重影響下，柔性電子產業(yè)鏈中的器件供應商也迎來了發(fā)展。

于欣格認為，目前中國的柔性電子產業(yè)的器件供應商足以覆蓋柔性電子工業(yè)化的發(fā)展要求。在芯片工業(yè)化水平上，其要求和半導體產業(yè)相比也較低。加之目前產業(yè)集成度還沒有特別高，中國企業(yè)若能把握時機，從技術、產業(yè)和新工藝三個方面發(fā)力，未來中國的柔性電子皮膚生產的量產成本就可以形成一定優(yōu)勢。

于欣格對科研的投入和執(zhí)行力讓我們看到了科技先行、未來可期。談到科學研究成果商業(yè)化的體會，他表示科研工作者應當將保持科研人員的專注度和對科研的把控力。對新一代青年科研究從業(yè)者，于欣格也分享了他的經驗：在科研上要有自己的標簽;做很獨特的、有實用價值的研究;著力在突破科技瓶頸，找出關鍵點。

從初代傳遞到可自主修復，柔性電子電子皮膚在科技工作者的努力下完成了一次次蛻變?？萍嫉陌l(fā)展往往始于各個原點、聚沙成塔絡繹不絕。 （摘自美《深科技》）（編輯/華生）