让人更加人性化,让机器有触觉!4位电子皮肤大牛最新成果盘点

2021年03月30日 22:31 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

如今可能人人都听过“黑科技”这个词。百度百科介绍,“黑科技”一词源于日本编剧贺东招二的轻小说《全金属狂潮》,原指非人类自力研发、凌驾于人类现有科技之上的知识。在我们的日常语境中,“黑科技”则代表着当前人类无法实现或根本不可能产生的技术、产品,或是现实中那些“不明觉厉”的新硬件、新软件、新技术、新工艺、新材料等。

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在知乎上有这样一个问题:你所知道的最“黑”的黑科技是什么?

有人认为是能在火星移民时派上用场的“人造光合作用”技术;有人觉得应该给受鼻涕虫启发的新型器官强效止血材料投上一票;也有人按字面意思答题,认为一种能吸收 99.96% 光线的新材料可以说是“黑”到失踪了;也有人提到,一种仿动物皮肤的柔韧、可拉伸、可自愈电子产品——“电子皮肤”应该拥有姓名。

“电子皮肤”,具体能做什么?

雷锋网注意到,电子皮肤有这样两类意义。

第一,在人工义肢、医疗检测和诊断等方面,它可以协助假肢理解触摸、弯曲或按压等动作,帮助配有假肢的群体恢复对外界的真实感知。

这一点正如人造皮肤领域“材料大师”、化学家、斯坦福大学化学工程系系主任鲍哲南投身电子皮肤领域时的初心:

Make human more human.(让人类更加人性化。)

第二,电子皮肤能应用于机器人,提升机器人的柔韧性和延展性,甚至让机器人像人类一样在面对疼痛时做出反应。

【中科院半导体所开发的超薄柔性电子皮肤阵列】

那么,这项黑科技曾经历过何种蜕变?当前发展程度如何?

就在最近,知名学术期刊 Nature“科技特写”(Technology Feature)专栏中,一篇题为 Electronic skin: from flexibility to a sense of touch(电子皮肤:从柔韧性到触觉)的文章复盘了电子皮肤的最新发展及蜕变史。

雷锋网对这一盘点进行了整理,或许通过下面的文字,我们对电子皮肤这种黑科技的认知将变得更为立体。

东京大学 Takao Someya 团队:电子皮肤的初实践

其实,电子皮肤的研究最早源于电子阅读器和曲面电视中的组件,而研究这些组件的,则是致力于研究柔性碳基分子或聚合物导电的科学团队。

概括来讲,有机电子学领域研究人员旨在研究用于显示和照明的有机发光二极管、用于显示底板和大面积电子器件的晶体管、以及用于太阳能收集的光伏电池。在某种程度上,以上设备都将受益于其形式的灵活性。

如何实现所谓“形式的灵活性”,研究人员将目光放在了我们今天常说的可穿戴电子产品上。

研究人员最早在 2004 年做出了成功实践。

当时,日本东京大学工程学院电气与电子工程系教授 Takao Someya 及其团队发表了一项研究成果。

论文显示,该团队开发出一种 8 厘米× 8 厘米的柔性机器人皮肤贴片,由多层高性能、压力感应的聚酰亚胺塑料、有机半导体并五苯(pentacene)和几层金、铜电极组成,内置一个 32 × 32 的微型压力传感器阵列。这种电子皮肤即使被包裹在一个 4 毫米厚的圆柱形棒上,也能保证电流不间断,就像一个柔韧的电路板。

Takao Someya 表示:

我们采用了一种主动矩阵,做出了为柔性显示器开发的驱动电路,它赋予了机器人一种从未有过的东西:触觉,即对压力做出反应的能力。

次年,Takao Someya 团队通过将相对坚硬的聚酰亚胺聚合物纺成线,然后再纺成网,使得电子皮肤拥有了弹性和舒适度。

美国西北大学 John Rogers 团队:将电子皮肤用于抗疫

说起抗击新冠疫情,你可能很难想到,材料科学家也冲在了最前线。

1995 年,美国材料科学家、物理化学家 John A. Rogers 获得了 MIT 物理化学博士学位,1997 年加入贝尔实验室凝聚态物理研究部门,随后进入美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校成为工程学系创始人。

如今,作为美国西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科教授,John A. Rogers 领导着一个关注开发柔软、有弹性、类皮肤材料的研究团队。

2019 年 11 月,John A. Rogers 团队发表研究成果,展示了一种可蓝牙连接的聚合物电路设备。将这种设备放在喉咙底部凹陷处,就可以实现对说话、心率等生命体征的实时监控,或是对患有中风的人群提供言语治疗。

在 2020 年新冠疫情肆虐期间,这种电子皮肤经定制设计后,被应用于美国芝加哥市的病毒早筛、病情监测等工作。

实际上,John A. Rogers 是世界上最多产的可穿戴皮肤电子研究者之一。西北大学官网显示,他曾发表过 750 余篇论文,发明 100 多项专利。

John A. Rogers 团队的电子皮肤已在全球各地得到了应用,例如监测早产儿的生命体征和运动员的水合作用;使得机器人获得更加细微、类似人类的触感。

剑桥大学 George Malliaras 团队:实现电子皮肤毫无佩戴感

可穿戴设备存在两种挑战,一是工程师如何解决化学问题,二是化学家如何解决工程问题。

这一观点来自于英国剑桥大学生物电子学教授 George Malliaras。在他看来,电极和人之间保持接触并不容易,因为皮肤会随着人的移动受到拉伸、褶皱和弯曲。要固定电极,其实可以用到凝胶,但由于凝胶是水溶液,随着时间的推移会变干,因此其稳定性存在问题。

为此,George Malliaras 团队想到了另一种可能的溶液——离子液体。

原因就在于,离子液体由室温下呈液态的盐组成,蒸发速度慢,且导电性能好。

2014 年,George Malliaras 团队将一种名为 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸酯的离子液体与一种聚合物结合,创造了一种能够容纳金电极和导电聚合物的凝胶。这一装置的电性能可维持 3 天。

值得一提的是,东京大学 Takao Someya 团队指出,George Malliaras 团队设计的这类设备会挡住汗液,阻碍空气交换,佩戴时让人感到不适;同时也很脆弱,不能长期使用。

为此,2017年,Takao Someya 团队又提出了一种多孔传感器的想法,这种传感器使用的是厚度仅 300 - 500 纳米的金纤维网,包括一个类似意大利面形状的聚乙烯醇(PVA)网状物及金电路图案。这种电子皮肤柔韧、透气,使用者甚至毫无佩戴感。

斯坦福大学鲍哲南团队:让传感器在体内工作

几个月前的腾讯科学 WE 大会上,人造皮肤领域的“材料大师”、著名化学家、斯坦福大学化学工程系系主任鲍哲南在演讲中谈到了实现人造皮肤的三大挑战及对应的重大突破:

第一,所用的电子材料必须做成像皮肤一样柔软,像皮肤一样可拉伸,甚至可自修复、可生物降解。

第二,人造皮肤需要真正感知到压力、温度,可以细腻地感受到不同的物体。

第三,人造皮肤的信号需要能够和人体结合起来。

实际上,在电子皮肤领域,鲍哲南教授名气不小。

不同于上述几位大牛的研究思路,其团队并没有创造传感器,然后做到使传感器与皮肤兼容——他们采用了分子方法,从一开始就考虑到电子皮肤的灵活性,设计有机聚合物和电子元件。

正如鲍哲南所言:

我们从分子水平设计它们,使得类似皮肤的特性成为新材料的固有特性。

比如,该团队曾开发了一种可以感知汗液中激素变化(特别是皮质醇水平变化,皮质醇是衡量压力大小的重要指标,可用来帮助理解焦虑和抑郁)的原型。同时,这一原型也可用来制造植入人体的有机电子设备,以帮助修复受损神经。

具体来讲,鲍哲南团队曾用一系列具有不同导电性能和生物降解性的聚合物来制造电子皮肤。

早在 2010 年,他们就用弹性聚合物 PDMS 开发了一种检测压力微小变化的皮肤,用以模拟触觉。该团队将这一技术应用到一种特殊的手套中,戴上手套后,轻轻按压覆盆子也不会将其压碎。

此后,鲍哲南进一步发展了这一技术:让传感器在体内工作。

2019 年,鲍哲南团队介绍了一种可降解的无线传感器,这种传感器可以包裹在血管上,在手术后持续监测血流。为了读出信号(血液脉冲穿过动脉时电容的变化),团队在皮肤附近安装了一个外部线圈,将无线电信号发送到远程接收器。

此后其目标则是让这些传感器覆盖身体的更多部位,同时保持细胞分辨率。

写在最后

自然,上述研究成果可能代表了电子皮肤领域的最前沿成就,但全球科学家们在这一领域的努力绝不仅限于此。

监测囊性纤维化患者的汗液生物标记物、检查皮肤疾病患者的皮肤水合情况、评估黑色素瘤患者的紫外线暴露情况、跟踪皮肤和假肢之间压力和温度的情况等等,都是电子皮肤已经实现的突破。

值得注意的是,即便电子皮肤近年来发展迅速,但摆在科学家们眼前的仍是重大的化学和工程挑战,期待下一个突破性成果。

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