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“电子皮肤”的前世今生
    时间:2020-4-3     点击率:979

“电子皮肤”的前世今生

“电子皮肤”,是近些年比较热的新兴技术,它本是一种电子检测装置,却具有人体皮肤的特性和功能。

一、“电子皮肤”是什么?

“电子皮肤”是一种新型仿人类皮肤的柔性传感器系统,简单地说,就是用一种电子装置仿生人类皮肤,让它具有人类皮肤的特点和功能。它不同于传统的“硬邦邦”的电子器件,它采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅胶等本身具有柔性的材料作为柔性衬底,实现了宏观结构上的柔性。

二、“电子皮肤”如何实现人类皮肤的功能?

“电子皮肤”作为仿生人类皮肤的一种电子装置,必然要具备人体皮肤最基本的能力——感知功能。我们的人体皮肤中有着非常精妙、复杂的生物组织,它能够非常敏锐地感知到外界的刺激,并将这些刺激通过神经传递给大脑,大脑就可以分辨在什么位置、受到了什么样的刺激、刺激的程度是怎样的;“电子皮肤”就是通过传感器来实现这些功能的,比如最常见的压力传感器,当外界产生压力变化的时候,传感器就会追踪压力变化引起的电学信号变化,从而实现“电子皮肤”感知的功能。

三、“电子皮肤”具有哪些特性?

1. 柔性和可拉伸性

    选取柔性、可拉伸的材料作为的衬底,同时通过力学结构设计将传统电子器件的材料(如金属和半导体材料等)柔性化,最终得到可拉伸的电子皮肤。比如我们常用的岛桥结构,“岛”上面集成一些功能元器件,包括温度传感器、压力传感器等,其本身不提供变形的能力;岛之间用微小的、弯曲的导线连接,导线可以传递电信号并提供可拉伸变形的能力。通过材料设计和结构设计的结合来实现“电子皮肤”整体的变形能力,是研发“电子皮肤”过程中的核心思想。

苏业旺研究员所在课题组于2019年在Advanced Materials Technologies上发表一项重要研究成果——一种用于促进创伤愈合的可拉伸红外治疗仪(Infrared Skin-Like Active Stretchable Electronics Based on Organic Inorganic Composite Structures for Promotion of Cutaneous Wound Healing. Advanced Materials Technologies, 2019)。该电子器件从力学结构设计出发,采用经典的“岛桥结构”设计,使得器件的整体结构不但具有柔性,还具有高达80%的可拉伸性,在实际应用中能够与人体的各个部位完美地贴合,重复使用也不会损坏器件原有的性能。

2. 具有感知能力

    人类的触觉有很多种,冷暖、干湿、软硬、疼痒等等,大部分功能“电子皮肤”都是可以实现的。每一种功能的传感器都可以通过柔性电子技术制作得非常小,当这些传感器通过排列、叠层的方式集成在“电子皮肤”中时,整体上就实现了集多种传感功能于一体。

3. 拥有自愈能力

    人体皮肤在被割伤后,过一段时间会自然结疤恢复,很多科研团队们也正在开发具有自愈能力的“电子皮肤”,目前的基本思路是通过合成新型高分子材料等新材料,当这种材料被划伤甚至是被完全割裂以后,在一定条件下仍能恢复原有的功能和形状。

四、为什么要研制“电子皮肤”?

一方面,研究“电子皮肤”可以拓展人类皮肤的感知能力,比如感知人类皮肤无法感知到的微弱信号、光信号、声信号等;另一方面,研究“电子皮肤”可以将人类的触觉延伸到其他本没有触觉的物体上,使得周边的事物更加智能、生活更加便捷。作为一种仿生电子检测装置,“电子皮肤”可以应用到医疗领域,实时监测人体的健康状态和给予医疗帮助;也可以应用到假肢和机器人的制造,让它们具备人类皮肤的能力,更加地灵敏和智能。

五、“电子皮肤”的研究瓶颈

“电子皮肤”作为人类皮肤的仿生成果,在走向应用的过程中,目前仍存在一些研究瓶颈。“电子皮肤”本质上还是一种电子装置,无法像人类皮肤一样接收人体供给的生物能量。其能量的一种来源是电池,“电子皮肤”中需要使用柔性电池来保持结构的柔性,柔性电池的研究就显得至关重要了;实现“电子皮肤”的自供电也是目前的一个重要研究方向,通过运动发电、摩擦发电等方式实现无源供电。“电子皮肤”中传感器感知的信息是以电信号的方式传递的,怎样实现传感器中电信号和大脑中电信号之间的相互传递也是一个重要的研究瓶颈。

六、“电子皮肤”的未来前景

随着科学技术的高速发展,未来“电子皮肤”的功能也许会超出我们的认知。它可以像眼睛一样感知光,像耳朵一样感知声音,像鼻子一样拥有嗅觉;它可以比人类皮肤更加敏感,检测到人类皮肤体察不到的细节;它可以拥有更高的耐受力,去适应人类皮肤无法承受的极端环境。“电子皮肤”可以让人类更强大,让机器人更智能,也许在未来若干年后,“电子皮肤”会成为人类生活不可或缺的一部分,给我们人类带来更多的福祉。