编译 | 智东西 熊大宝

编辑 | 李水青

智东西3月24日报道，近日，《Nature》科技特征专栏报道中提到，埃文斯顿西北大学的研究人员开发了一款可以用于健康监控的电子皮肤材料，这一装置的中空电路可置于喉咙根部，通过蓝牙实时监视谈话、呼吸、心律和其他生命体征。

该团队负责人约翰·罗杰斯（John Rogers）介绍，这款电子皮肤材料，不仅可以用于中风需要语言治疗的人，帮助早产儿和在水化作用中的运动员监测生命体征，还可以在COVID-19的早期症状监测中评估感染者咳嗽频率的变化。

除这款电子皮肤外，其他电子皮肤也给予了机器人一个更轻、更像人类的触感。但这样的触感来之不易，电子皮肤中的电子元件装置历经易碎、非柔韧性的难题考验，向着人类皮肤的延展性、灵敏性探索不断。本文对自2004年起电子皮肤在柔性电路等硬件发展进行回顾，并对电子皮肤的实际应用进行简要介绍。

一、基础：柔性屏、柔性电路的探索

电子皮肤装置源于电子阅读器和曲面屏电视中的元件，这些元件起初被科学家开发用于研究柔性碳基分子和导电聚合物。

“有机电子学的人群正在研究用于显示和照明的有机发光二极管，用于显示器底板和大面积电子学的晶体管，以及用于太阳能收集的光伏电子”，英国剑桥大学研究生物电子学乔治·马利亚拉斯（George Malliaras）教授说道。“在一定程度上，所有的这些应用都将会对柔性外表有益。”

早在2004年，东京大学电子工程师染矢高雄（Takao Someya）便在该领域有了最早的成功案例之一。他和团队报告称，他们已经开发出一种8厘米×8厘米的柔性机器人皮肤贴片，由一层层高性能的压敏聚酰亚胺塑料、一种叫做并五苯的有机半导体以及金和铜电极制成。这款皮肤给予机器人前所未有的东西：一种能够回应压力的触感。

2005年，染矢高雄（Takao Someya）为让材料更有柔性，感知轻微压力变化，通过将相对刚性的聚酰亚胺聚合物纺成股线，然后纺成网，解决了这一问题。

约翰·罗杰斯（John Rogers）则在相同领域做出不同探索。他和他的团队聚焦于由坚硬的无机材料制成的超薄结构，这一材料通常在纳米级。他们设计出亚微米的单晶硅色带，并在张力作用下将其与一层橡胶状聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合。当他们释放压力，硅变形成波浪状，当材料变形时，波浪会变平，但不会破裂。

二、发展：变“穿戴”为“融合”，灵敏到可感受疼痛

在乔治·马利亚拉斯（George Malliaras）教授看来，可穿戴设备面临两类挑战：对于工程师来说，可能需要懂化学；而对于化学家来说，更需要懂一些工程问题。保持电极和人之间的接触并不容易，因为皮肤会随着人的移动而拉伸、起皱和弯曲。

乔治·马利亚拉斯（George Malliaras）从离子液体出发，与团队在2014年将一种名为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯的离子液体与聚合物结合，这就产生了一种凝胶，可以容纳金电极和导电聚合物。据研究小组报告称，这种装置的电气性能保持了三天。

东京大学电子工程师染矢高雄（Takao Someya）则指出，这样的装置也能阻挡汗液，阻碍空气交换，使其在佩戴时产生刺激性，这意味着它们不能长时间使用。

为解决这一缺点，染矢高雄（Takao Someya）和他的团队在2017年提出了一种多孔传感器的想法，使用一种厚度仅为300–500纳米的柔性金纤维网。他们用聚乙烯醇（PVA）纺了一个像意大利面条一样的网，在上面沉积了一个金色的电路图案。用水冲洗会冲走PVA，留下柔软、透气、不发炎的电线阵列，用户很难分辨出自己戴的是什么。

乔治·马利亚拉斯（George Malliaras）表示，可穿戴电子设备用于健康监测的最大好处是，可将自身健康作为基线，根据基线的漂移来判定自身健康状况。“你可以整天戴着一个装置，却忘了它就在那里。”

在加州斯坦福大学，聚合物化学家鲍振安（Zhenan Bao）也在开发电子皮肤。但她并没有制造传感器再与皮肤兼容，而是采用分子方法：从一开始就考虑到柔韧性，设计有机聚合物和电子元件。

目前，鲍振安（Zhenan Bao）已开发出一种原型装置，可以感知汗液中的激素变化，特别是皮质醇水平。这种重要的压力指标，可以用来帮助理解焦虑和抑郁。同时，这项技术也可以用来制造放置在体内的有机电子产品，帮助修复受损的神经，并且随着身体的变化而变形。

在澳大利亚，墨尔本RMIT大学的马杜·巴斯卡兰（Madhu Bhaskaran）喜欢无机方法，与团队使用金属，如锶、钒或钛的氧化物，来开发能够感知疼痛的人造皮肤。

三、落地：部分已用于临床试验，如监测重症早产儿

目前，一些电子皮肤技术已经转化为产品在临床使用了。

有一种名为BioStamp的感应贴片，它可以在家中通过整理参与者的大量生命体征数据，用来辅助临床试验。这款补丁由罗杰斯于2008年创立的马萨诸塞州列克星敦的MC10公司开发，并于2018年5月获得美国食品和药物管理局的批准。（MC10于2020年10月被法国临床试验公司Medidata收购。）

2019年，约翰·罗杰斯（John Rogers）和同事们推出了一种贴膏大小的无线传感器，可以用来监测新生儿重症监护室的早产儿。它已经取代了纠结在一起的监控线的需要，并且让父母在住院期间更容易抱着孩子。

染矢高雄（Someya）的集团于2015年在东京成立了一家名为Xenoma的螺旋输出（spin out）公司，该公司在智能服装中使用类似皮肤的传感器。这包括睡衣，它可以监测体温，并与空调连接以调节室温，或者在穿着者摔倒时提醒急救人员或家人。

结语：从穿戴到融合，电子皮肤已落地应用

现阶段日常生活中，大家对于可穿戴电子设备的往往停留在用于计算每日步数的手腕设备，但这类设备无法真正感知皮肤的敏感性，人与物之间还无法实现有效融合。

电子皮肤技术的发展，则会推动硬材料和软材料之间的匹配，不仅可以让机器人“活起来”，有真实触感可感知疼痛，未来该技术与VR、AR等设备的结合，还将实现人、物、空间的高度交互，在虚拟世界中给用户带来更多沉浸感，更能够在现实世界中带给用户更多生产、生活的便利。

来源：Nature