电子皮肤崭露头角

李忠东

触摸虚拟世界执行特定指令

最近，德国科学家研制出一种新的电子皮肤。它名叫e-skin，具有柔软、可弯曲和能穿戴等特点。e-skin是一种可以戴在手上的薄膜，通过与附近的磁铁相互作用来操纵物体。由于佩戴者手部的角度不同，电压会有所不同。特别设计的软件可以控制每一个增量角度，使佩戴者的手部动作能够执行特定的指令。试验证明，e-skin可用于关闭虚拟灯的开关和在虚拟键盘上打字，而且成效明显（图1）。

虚拟现实技术（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，能使用户沉浸其中。在過去几年里，VR成为各行各业的重要工具，许多新技术的发展依然围绕VR技术开展。众多VR厂商纷纷抢占VR一体机市场，导致市场竞争激烈。然而，到目前为止VR并没有出现太多突破性的技术，同时也缺失行业标准，更谈不上VR一直强调的让人完全“沉浸”的产品，也许触感是VR沉浸感提升的一大难题。

科学家表示，无论是游戏还是学习体验，e-skin能对VR产生显而易见的影响。虽然它并不是用来替代现有的VR，但可以与其他兼容VR的技术混合，以创造一个更有机、互动感更强的体验。现有的VR设备使用摄像头来检测和跟踪运动，但目前的分辨率并不高，不足以记录手指和其他更微妙手势的细微动作。随着e-skin的引入，这种细微的动作不仅可以被检测到，还可以与虚拟环境进行交互（图1）。

除了VR，e-skin还可以大大改变增强现实（AR）的当前能力。AR是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息，声音，味道，触觉等），通过电脑等科学技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

除了上述有趣的应用之外，e-skin还可以给人装一个假肢，以便更容易地操纵虚拟技术，甚至还能够被纳入到软机器人中。在危险的情况下或高风险的工作中，它可以被用于虚拟按钮、控制器或门中，无需物理接触就可对它们进行操控。对于那些处理爆炸物或其他特别危险的工作的人来说，这可能会减少受伤的可能性。

其实在2015年，德国科学家就展示了一种接近报警传感器，可以模拟触摸，只不过系统无法对旋转动作进行定向感知。而现在e-skin被植入微型的磁敏装置后，具备了定向感知能力。然而目前该技术谈不上完美，因为e-skin需要依赖磁铁创造的磁场，然后才能改变环境的磁场。虽然这个过程过于麻烦，但是至少为VR开了一扇新的大门。科学家正朝着更加方便的领域迈进，以便通过更细微的手势来控制e-skin，使其早日进入到我们日常生活中。

显示健康状况并与智能手机配对

增强或恢复身体功能的电子装置，特别是可穿戴式电子设备，需要轻薄和灵活的材料，以尽量减少对其连接到身体部位的影响。然而，到目前为止，大多数设备如毫米级玻璃或塑料基板在灵活性方面很有限，而微米级有机器件虽具灵活性但在空气中不够稳定。

过去几年，科学家提出了很多柔性电子皮肤贴片概念，可以管理药物或监测健康状况。日本东京大学研究人员最新开发的版本，堪称高质量的柔性电子皮肤。它的厚度小于两微米（1微米相当于1毫米的千分之一），可以拉伸到原来长度的145%，比以前的皮肤显示器更能抵抗磨损。而且通过层层交替的无机和有机材料，免受氧气和水蒸气的影响，使用寿命从几小时延长到现在的数天。此外，还把高度透明的铟锡氧化物（ITO）电极无损耗地粘到超薄基板上，将电子皮肤转化成一个“电子显示屏”（图2）。

在使用新的保护膜和ITO电极的基础上，创建出稳定的聚合物发光二极管（PLED）和有机光电探测器（OPDS）组成的新器件，可发出红、绿和蓝三种颜色的光。如果受到电脉冲击，这些二极管可以打开或关闭。通过不同排列的PLED，还可以显示更复杂的信息。该器件仅3微米厚，薄到可附着在皮肤上，并能足够灵活地响应身体活动带来的扭曲和褶皱。发光效率超过以前采用的超薄PLED的6倍，而且减少了热量的产生和功率消耗。

电子皮肤贴片能显示简单的心电图波形等动态图像和血液中的氧浓度或脉冲率，特别适合用于医疗，在给穿戴者提供健康信息的同时让其他人在紧急情况下了解使用者的状况。如果需要，还可以用红色和绿色PLED与光电探测器结合作为演示血氧状况的传感器。此外，它上面的传感器还可以与智能手机配对，用于存储生物特征数据，甚至将其传输到云端，成为针对老年人或家庭的非侵入性健康监测系统，供医护人员远程监控穿戴者的状况。根据计划，这种电子皮肤在未来三年内开始量产。

感知外部压力后传导触觉信号

在控制自己双手的时候，人类需要启动手上一大部分运动皮质，采用微妙的平衡力，才能实现各种各样的反馈。在机器人技术领域，如何改善身体的柔韧性和延展性一直是困扰研究者的难题。实践证明，要使得机器人具有更敏感的触觉，挑战的难度极大。美国加利福尼亚大学伯克利分校电子工程和计算机学教授阿里·贾维带领的研究团队研制出一种厚度不及一张普通纸的电子皮肤，能通过内置LED灯对触摸和压力做出反应，而且压力越大，灯也就越亮。这种触摸即发光的电子皮肤又称e-皮肤（图3）。

电子皮肤的基础体是一种聚合树脂制成的胶片，胶片表面有黏性，覆盖有发挥信号感知和传导作用的一种锗硅混合纳米线，而后在纳米线上安装纳米级传感器，再覆盖以一种对压力敏感的橡胶。整个电子元件都是垂直整合的，看似廉价的塑料块里面却内置了一套复杂的系统。电子皮肤的样本为16×16像素，每个像素都包含一个由半导体碳纳米管制成的晶体管、一个有机体发光二极管和一个压力传感器。无论按压还是弯曲，随着力度不同，16个可发光块会发出蓝色、绿色、红色或黄色的光。实验室的测试表明，它可以在一毫秒内迅速做出响应，感知从0千帕～15千帕的压强，像人类敲打键盘和托物体时皮肤感知的压强均在这一范围内。它几乎可以和人体皮肤一样感知不同的外部压力，以相同速度传导触觉信号。

贾维教授将传感器放在人的手腕上测试脉搏，结果发现它比人手指的触觉更加灵敏，能够探知比一般轻微触摸还要轻得多的压力，因此可以在心脏病或中风发作之前感知到征兆。“在将来，也许有一天会出现一种‘电子皮肤绷带，能贴在胳膊上作为健康状况检测器，不间断地监测血压和心率。”他展望道，“希望未来能开发出一种更先进的传感器皮肤，除了会对触摸和压力做出反应之外，还可以对温度和光线也产生敏锐的回馈。”

超级敏感电子皮肤的出现堪称机器人科学的一大迈进，有望给手机和游戏机控制器增加一个更直观的人机界面，使人的动作与安装传感器的设备实现更好的互动。可应用于智能手机，用作制造像壁紙之类的设施，兼作触摸屏显示器、仪表板的压层材料，让驾驶员只需挥挥手就能调节控制键。

一些移植学专家十分看好这项技术，将其誉为临床医学的福音。它可以用于改进没有感知力的假肢，使其恢复感觉，甚至用它来覆盖假肢。研究人员正在设法把电子皮肤改造成为人造皮肤，临床运用于人类皮肤移植术，并把电子信号传递给大脑。

提高假肢的灵敏度和触觉感

世界各地的研究团队都在致力于开发高灵活性的电子皮肤，旨在通过模仿人体皮肤中各种不同的感觉感受器获得触觉，其中电子皮肤的供电系统是个巨大的技术挑战。但如今英国格拉斯哥大学工程学院的研究人员已找到攻克这一难题的方法，近日成功研发出一种太阳能电子皮肤，通过使用清洁能源展示出其续航能力强、便携性好的特征。根据研究团队的设想，将在未来两年内制造出原型。

研究团队将一层光伏电池安装在手背上，通过让太阳照射手背而进行光能发电，与此同时电池还与电子皮肤里的多个传感器相连。这种传感器用石墨烯柔性材料制成，能让皮肤佩戴者感觉到如同真正皮肤般的触觉反馈。石墨烯只有一个原子的厚度，性能强，灵活度高。导电性能好，比钢强数倍。做成的成品厚度只有普通纸张厚度的百万分之一，并且透明度可以吸收98%左右的光。这些属性使石墨烯成为收集太阳能制成合成电子供电的理想材料，基本上可以淘汰需要电池供电的假肢。

低功耗的智能皮肤每平方厘米需要20纳瓦的功率，目前可用的最低质量的光伏电池都能满足这个要求。虽然皮肤的光伏电池产生的能量还不能存储，但研究人员表示正在探索将未使用的能源转移到电池中的方法，以备其他需要之时使用。下一步的计划将开发支持这项研究的相关配件技术，从而让光伏电池能驱动假肢的电机，创建一个能完全不用充电就能自主活动的假肢。

“这种智能皮肤产生的电力可以用于获取灵敏度和触觉感，比人类皮肤好一个数量级（图5）。智能假肢已经拥有人类肢体的许多力学性能，如果赋予它们类似人体皮肤的触觉，将会使截肢者十分受益。”格拉斯哥大学电气工程师、该项目的主导科学家拉文德·达希亚教授指出，“触觉敏感的电子皮肤也可用于机器人，以提高其性能，更好地了解所触摸的东西，并帮助它们在与人类互动时检测潜在的危险。”

使假肢感受并传递疼痛的感觉

疼痛当然令人不愉快，却是一种基本的保护性触觉。对于功能齐全的肢体来说，感知疼痛能够帮助躲避危险保护身体。时至今日，假肢设计和控制机制的不断进步极大地帮助截肢者恢复失去的功能，但是通常缺乏意义重大的触觉反馈或者说直觉。让现代假肢设计更人性化迫在眉睫，尤其是在融入疼痛感受能力方面更是必不可少。

由美国约翰霍普金斯大学生物医学工程、电气和计算机工程、神经病学系和新加坡神经技术研究所成员组成的研究团队，通过研究皮肤自然的感知力，借鉴人类皮肤触觉感受器的复杂神经网络，开发出一种新型的电子皮肤，能够使假肢越来越逼真地感受并传递疼痛的感觉。这是一种由橡胶和织物打造的薄层，覆盖假手的指尖。当它与物体接触时，产生的微小电脉冲就会刺激假肢中的神经来模拟一种真实的触感。由于采用了压阻和导电织物制成的大量感应层，而不是感应和测量压力的不同类型细胞，因此产生出来的电脉冲能够像真实皮肤一样以不同的方式对压力做出反应，感受和传达痛感和压感。使截肢患者体验到假肢曾经缺少的防护性触感，帮助自己避免受到伤害。

为了验证电子皮肤的效果，研究团队在一位截肢患者身上进行了测试。他们创建了一个“神经形态模型”，模拟人类神经系统的触觉和痛觉感受器，使电子皮肤能够像皮肤中的感受器一样对感觉进行电子编码。通过脑电图跟踪大脑活动，确定受试者能够在他的假手中感知这些感觉。

研究人员使用一种称为“经皮电神经刺激”的无创方法，将电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极连接到测试者的假肢上，而且与真正的神经传递信号的方式相似。当受试者佩戴着这种电子皮肤抓取不同的物体时，研究人员引进了自动的疼痛反应，也就是说手在没有接收到大脑指令之前就会扔掉那些太锋利的物体。截肢患者在描述自己参与测试的感觉时激动地说：“这么多年过去了，我又感觉到了自己的手，就好像一个空壳再次充满了生命。”

测试结果表明，根据电子装置传递的不同脉冲模式，电子皮肤可以传递一系列的感知，从细微的触摸到对截肢者的伤害所引起的疼痛。受试者和假肢能够在接触尖锐物体时对疼痛和接触圆形物体时对非疼痛产生自然的反射反应，就是最有说服力的证明。通过刺激手臂的周围神经，将信息传递给截肢者，使所谓的幻肢复活，让它更像人手。研究团队计划未来将研发一种装置，让人们获得一系列更复杂的触感。

“借助这种触觉反馈，我们能够为截肢者提供一种真实的感觉。这真的是非常重要的，因为它让我们更接近于打造出一种真实的上肢假体。当然也不仅仅是疼痛，还有质地和温度等触感，未来我们将探索如何把更多的感觉反馈给截肢者。”约翰霍普金斯大学生物医学工程教授、生物医学仪器和神经工程实验室主任尼蒂斯·塔科尔指出，“这项电子皮肤技术还能够使机器人系统更人性化，也可以扩展或延伸到宇航员的手套和宇航服。”