來源丨元宇宙簡史

作者丨元宇宙簡史主理人 Fun

【元宇宙導讀】近日，美國科學家研制出一種人造柔性電子皮膚貼片，可以將壓力或熱量轉(zhuǎn)換為大腦信號，并通過人工突觸傳遞給神經(jīng)元和肌肉。實驗表明，這種電子皮膚可以模擬真實皮膚的感知功能和信息傳遞機制。本文將詳細介紹該電子皮膚的原理、方法和前景。

皮膚是人體最大的器官，也是最重要的感覺器官之一。

它可以感知外界的溫度、壓力、疼痛等多種刺激，并將這些信息傳遞給大腦，從而產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。

然而，對于那些因為燒傷、創(chuàng)傷或截肢等原因失去了部分或全部皮膚的人來說，這種感覺是無法恢復的。他們不僅失去了與外界交流的能力，也失去了對自己身體的控制和保護。

為了幫助這些人重新獲得觸覺，科學家們一直在努力開發(fā)人造皮膚，即能夠模擬真實皮膚功能的電子設(shè)備。

目前已經(jīng)有一些人造皮膚產(chǎn)品投入市場或臨床試驗，例如用于監(jiān)測嬰兒或運動員的生理指標的貼片，或者用于增強機器人或虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互性能的傳感器。

但是，這些人造皮膚還存在一些局限性，例如不能實現(xiàn)與神經(jīng)系統(tǒng)的直接連接，不能模擬多種感覺刺激，或者不能適應(yīng)復雜和動態(tài)的環(huán)境。

近日，美國斯坦福大學化學工程師鮑哲南（Zhenan Bao）領(lǐng)導的團隊，在《科學》雜志上發(fā)表了一項突破性的研究成果。

他們研制出了一種全新的人造柔性電子皮膚貼片，可以將壓力或熱量傳感器的信號轉(zhuǎn)換為大腦信號，并通過一個人工突觸裝置將其傳遞給神經(jīng)元和肌肉。

在對大鼠的實驗中，他們將這種電子皮膚與大鼠的運動皮層相連，并發(fā)現(xiàn)當觸摸該皮膚時，會刺激大鼠踢腿。這表明該電子皮膚不僅可以模擬真實皮膚的感知功能，還可以模擬真實皮膚與神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)之間的信息傳遞和反饋機制。

要制造出這樣一種高度仿生的電子皮膚，科學家們需要克服兩個主要難題：如何讓電子元件變得柔軟和靈敏，以及如何讓電子信號變得與生物信號兼容。

為了解決第一個難題，科學家們利用了一種名為聚合物介電體的材料。介電體是半導體器件中的一個重要組成部分，它可以決定器件的信號強度和所需電壓。

通常情況下，介電體是由硬質(zhì)材料制成的，但科學家們發(fā)現(xiàn)了一種可以使介電體變得柔軟和可拉伸的方法：在聚合物分子中加入一些特殊的化學基團，使其具有自我修復和自我組裝的能力。

這樣就可以使介電體在受到損傷或變形時自動恢復原狀，并且可以在低溫下通過簡單地涂抹或印刷等方式制成所需形狀。

利用這種柔性介電體，科學家們制造出了一個由數(shù)百個晶體管組成的集成電路陣列，并將其封裝在一個薄薄的聚合物膜中，這個集成電路陣列就是該電子皮膚貼片。

貼片上還安裝了兩種不同類型的傳感器：一種是壓力傳感器，可以檢測到不同程度和方向的力；另一種是溫度傳感器，可以檢測到不同溫度下導致分子運動變化的熱量。

當這些傳感器受到外界刺激時，它們就會產(chǎn)生一個與刺激強度成正比的電壓信號，并通過集成電路陣列進行放大、調(diào)節(jié)和編碼。

為了解決第二個難題，科學家們設(shè)計了一個人工突觸裝置，用來模擬生物突觸——神經(jīng)元之間傳遞信息和記憶信息的結(jié)構(gòu)。該裝置由兩個金屬電極和一個液態(tài)離子導體組成。當兩個電極之間施加一個電壓時，液態(tài)離子導體中就會產(chǎn)生一個可控制大小和方向的離子流，從而實現(xiàn)對信息信號的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換。

該裝置還具有可塑性，即根據(jù)輸入信號頻率和強度調(diào)整輸出信號強度，從而實現(xiàn)對信息信號的記憶和學習。

通過將人工突觸裝置與集成電路陣列相連，并通過導線將其與大鼠運動皮層中控制后腿運動區(qū)域相連，在實驗中科學家們發(fā)現(xiàn)當他們用手指輕輕按壓或加熱該電子皮膚時，就會引起大鼠后腿不同程度和頻率地抽動。

這說明該電子皮膚成功地將機械或熱刺激轉(zhuǎn)換為神經(jīng)元能夠識別并響應(yīng)的信號，并通過人工突觸裝置將其傳遞給神經(jīng)元和肌肉。

該研究是迄今為止，最接近真實皮膚功能和結(jié)構(gòu)的人造柔性電子皮膚之一。

它不僅具有高靈敏度、高可塑性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，還具有與生物信號兼容的特性，可以實現(xiàn)與神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)的無縫對接。這為人造皮膚在醫(yī)療和生物領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的潛力。

例如，該電子皮膚可以用來覆蓋在假肢或植入式器官上，從而讓失去了部分或全部身體的人重新感受到觸摸，甚至是疼痛。這不僅可以提高他們的生活質(zhì)量和自信心，也可以幫助他們更好地控制和保護自己的身體。

此外，該電子皮膚還可以用來治療一些由于神經(jīng)損傷或退化導致的感覺喪失或異常的疾病，例如糖尿病足、神經(jīng)性皮膚潰瘍、神經(jīng)性瘙癢等。通過將電子皮膚與受損或缺失的神經(jīng)相連，可以恢復或重建正常的感覺功能，從而減輕患者的痛苦和并發(fā)癥。

除了醫(yī)療和生物領(lǐng)域，該電子皮膚還可以在其他方面發(fā)揮作用。

它可以用來增強虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)或機器人的交互能力，讓它們能夠更好地感知和適應(yīng)環(huán)境，以及更自然地與人類溝通和協(xié)作。

它也可以用來制造一些新型的電子設(shè)備或玩具，例如可以變色或變形的智能衣服、可以模擬真實觸感的游戲手柄等。

總的來說，該電子皮膚是一項具有創(chuàng)新意義和實用價值的科學成果，它為人造皮膚的發(fā)展開辟了新的可能性和無限想象。

當然，該電子皮膚還有一些需要改進和完善的地方，例如如何實現(xiàn)無線傳輸、如何提高耐久性和安全性、如何降低成本和規(guī)?；a(chǎn)等。

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