Science：新开发的电子皮肤能够产生类似神经脉冲的电信号

人类皮肤中的机械感受器可以感知蝴蝶的微妙重量，感受到附近火焰或冷饮的热度，理解一只手是握拳还是在打和平手势，并通过轻轻的触摸来计算所爱之人的脉搏。渴望制造人造电子皮肤的工程师们迄今为止已能够制造出模拟这些非凡感觉的柔软、灵活的材料，但是在此之前他们从未创造出能够直接与大脑对话的类似皮肤的材料。

虽然以前的努力需要刚性的电子器件将感应到的信号转换成大脑可以读取的电脉冲，但是来自美国斯坦福大学的研究人员在一项新的研究中制造出了软集成电路（soft integrated circuit），可以将感知到的压力或温度转换成类似于神经脉冲的电信号，与大脑交流。他们希望有朝一日，这些信号可能会被引导到植入外围神经的无线通信芯片中，使截肢者能够控制假肢。其他潜在用途可能包括新时代的植入式或可穿戴医疗设备。相关研究结果发表在2023年5月19日的Science期刊上，论文标题为“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”。

论文通讯作者、斯坦福大学化学工程系教授Zhenan Bao说，“我们已研究了一段时间的单片式电子皮肤（monolithic e-skin）。所面临的障碍并不在于找到模拟人类触觉能力的机制，而在于只使用类似皮肤的材料将它们结合在一起。”

论文共同第一作者、Bao实验室的博士生Weichen Wang说，“该挑战的大部分归结为推动类皮肤电子材料的发展，使其能够被纳入集成电路，并具有足够的复杂性以产生类似神经的脉冲序列和足够低的工作电压，以便安全地用于人体。”

技术的层级

他们的目标是建立一种可以模拟感觉感受器机制并在低电压下有效运行的软集成电路。不幸的是，Wang的第一次尝试要求的电压高达30多伏，无法实现足够的电路功能。他说，“这种新的电子皮肤仅在5伏电压下运行，可以检测到与真实皮肤类似的刺激。”

人造皮肤将对新时代的假肢至关重要，它们不仅能恢复运动和功能，如抓握，还能提供感官反馈（本体感觉），帮助用户精确地控制这种设备。不仅如此，感觉皮肤材料本身必须一次又一次地拉伸和恢复，同时永远不会失去其类似神经的电特性。

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0086。

这些作者发明了一种三层电介质结构，与单层电介质相比，有助于将电荷载体的流动性提高30倍，使得软集成电路能够在低电压下运行。有趣的是，这种三层结构中的一层是丁腈橡胶，这种橡胶也被用于外科手术手套。大部分电子皮肤是由许多层类似皮肤的材料组成的。每层中都集成了有机纳米结构的网络，即使在被拉伸时也能传输电信号。这些网络可以被设计为感知压力、温度、张力和化学物。

每个感官输入都有自己的集成电路。然后，所有不同的感觉层必须被夹在一起，成为一个单一的整体材料，不能分层、撕裂或失去电子功能。

每个电子层只有几十到几百纳米厚，六层左右的成品材料不到一微米。Bao说，“不过这实际上太薄了，不容易处理，所以我们用一个衬底来支持它，这使我们的电子皮肤达到大约25～50微米的厚度---大约是一张纸的厚度。它与人类皮肤外层的厚度范围相似。”

新一代的进步

这种系统是第一个以柔软、耐用的形式将传感和人类皮肤的所有理想电气和机械特征结合起来的系统，可用于下一代假体皮肤和创新的人机界面，以提供类似人类的触觉。

他们的原型系统已制造出，Bao、Wan及其研究团队如今开始增加他们的技术的复杂性和可扩展性，增加无线功能，以及与大脑和身体周边的接口方式。

参考资料：

Weichen Wang et al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0086.