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換為大腦信號，并通過人工突觸傳遞給神經元和肌肉。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，從而產生相應的反應。

然而，對于那些因為燒傷、創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人造皮膚，即能夠模擬真實皮膚功能的電子設備。

目前已經有一些人造皮膚產品投入市場或臨床試驗，例如用于監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實系統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，例如不能實現與神經系統的直接連接，不能模擬多種感覺刺激，或者不能適應復雜和動態的環境。

近日，美國斯坦福大學化學工程師鮑哲南（Zhenan Bao）領導的團隊，在《科學》雜志上發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換為大腦信號，并通過一個人工突觸裝置將其傳遞給神經元和肌肉。

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，并發現當觸摸該皮膚時，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系統和運動系統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，介電體是由硬質材料制成的，但科學家們發現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、調節和編碼。

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

該裝置還具有可塑性，即根據輸入信號頻率和強度調整輸出信號強度，從而實現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域相連，在實驗中科學家們發現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換為神經元能夠識別并響應的信號，并通過人工突觸裝置將其傳遞給神經元和肌肉。

該研究是迄今為止，最接近真實皮膚功能和結構的人造柔性電子皮膚之一。

它不僅具有高靈敏度、高可塑性、高穩定性等優點，還具有與生物信號兼容的特性，可以實現與神經系統和運動系統的無縫對接。這為人造皮膚在醫療和生物領域的應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、神經性皮膚潰瘍、神經性瘙癢等。通過將電子皮膚與受損或缺失的神經相連，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癥。

除了醫療和生物領域，該電子皮膚還可以在其他方面發揮作用。

它可以用來增強虛擬現實系統或機器人的交互能力，讓它們能夠更好地感知和適應環境，以及更自然地與人類溝通和協作。

它也可以用來制造一些新型的電子設備或玩具，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新意義和實用價值的科學成果，它為人造皮膚的發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，例如如何實現無線傳輸、如何提高耐久性和安全性、如何降低成本和規模化生產等。

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